[發明專利]一種氮硫共摻雜多孔碳微球及制備方法、用途和氧還原電極

有效

• 申請號: 201710795028.2
• 申請日: 2017-09-06
• 公開（公告）號: CN107658474B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 王繼昌;羅茂君;金輝樂;王舜;董小妹;李俊
• 申請（專利權）人: 溫州大學新材料與產業技術研究院
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/96;H01M4/88
• 代理公司: 溫州名創知識產權代理有限公司 33258
• 代理人: 陳加利

本發明涉及一種氮硫共摻雜多孔碳微球復合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：S1：將六氯丁二烯、二乙基二硫代氨基甲酸碲(TDEC)以及溶劑在高溫高壓下進行密閉反應；S2：反應結束后，泄壓至常壓，并自然冷卻至室溫，將所得固體干燥，得到干燥樣品；S3：將所述干燥樣品在惰性氣體保護下進行高溫焙燒處理，從而得到所述氮硫共摻雜多孔碳微球復合材料；還涉及所述復合材料、用途和包含其的氧還原性能。所述氮硫共摻雜多孔碳微球復合材料具有優異的性能，可用來制備燃料電池的氧還原電極，從而可用于燃料電池中，并表現出了良好的電化學性能，在電化學領域具有巨大的應用潛力和工業價值。

技術領域

本發明提供了一種復合材料及其制備方法、用途和由其制得的電極，更具體而言，提供了一種氮硫共摻雜多孔碳微球及制備方法、用途和包含其的氧還原電極，屬于無機功能材料和電化學能源技術領域。

背景技術

目前，傳統能源(如天然氣、石油、煤)日益枯竭，且對環境污染嚴重，迫切需要開發綠色環保、可再生的新能源。燃料電池作為一種清潔的能量轉換裝置，能量轉換率高，且安全，因此備受科研人員關注。最為常用的燃料電池催化劑是鉑基催化劑。但由于鉑價格昂貴、資源匱乏，致使催化劑的成本很高。同時鉑基催化劑也存在諸多缺陷，例如穩定性差、易中毒、質量活性低等。因此，尋找廉價活性高、穩定好的催化劑倍受關注。

近幾年來，具有高比表面積，優異的導電性和穩定性的碳材料例如碳納米管、介孔碳等已被廣泛地應用于燃料電池方面，例如：

CN104399508B公開了一種具有電催化氧還原活性氮硫共摻雜碳材料及其制備方法。其制作工藝如下：將毛發用丙酮超聲清洗后剪碎，然后倒入反應釜內襯，加入分析純氨水，進行水熱降解反應，得到的溶液烘干后，得到固體氨基酸；將固體氨基酸與模板劑混合均勻，混合物在惰性氣氛下熱分解；所得樣品用稀鹽酸去除模板劑，洗滌、干燥，制得氮硫共摻雜碳材料。該方法選用的原材料是毛發，簡單易得，價格低廉，選取的模板劑成本低，容易去除，制備工藝簡單，制得的材料氮硫含量高，具有較大的比表面積和豐富的孔結構；該方法制得的氮硫共摻雜的碳材料在燃料電池應急氧還原催化方面表現出優異的性能。

CN105140043A公開了一種氮硫雙摻雜的碳材料雙功能氧催化劑及其制備方法和在堿性介質中對氧氣的電催化作用。該催化劑以海洋多糖海藻酸鈉為碳源，以硫脲為氮和硫原子的來源，在惰性氣氛下高溫煅燒將電負性的N和S進行雙摻雜，得到了氮硫雙摻雜的碳材料電催化劑。該催化劑猶豫雜原子的雙摻雜晶體結構發生了變化，比表面積和催化位點得到了增加，同時具有較高的析氧(OER)和氧還原(ORR)催化活性，有效降低了OER和ORR的過電位，其ORR過程大部分為4電子催化機理，是較為理想的ORR反應過程，且具有良好的穩定性和優異的甲醇耐受性，所用原料成本低、制備方法簡單，易于操作，便于大規模生產。

CN105032461A公開了一種氮硫共摻雜碳載非貴金屬型氧還原催化劑及制備方法。該催化劑的原料包括三吡咯-[1,3,5]-三嗪(TPT)和噻吩(Tp)的共聚物P(TPT+Tp)；(2)將P(TPT+Tp)、非貴金屬鹽加入到乙醇中，置于超聲分散儀中超聲使整個體系分散均勻，再蒸干乙醇，置于真空干燥箱中于80℃干燥4h；(3)第一次熱處理，得到氮摻雜碳材料；(4)所得氮摻雜碳材料用稀酸充分洗滌；(5)第二次熱處理，即得氧還原催化劑。采用Friedel-Crafts反應合成的聚合物P(TPT+Tp)為交聯結構，經過先后兩次熱處理得到的氧還原催化劑是多孔結構，具有較大的比表面積，石墨化程度較高。多孔結構形成了更多的催化活性中心，還利于反應物和電解質的擴散傳遞。該催化劑不僅具有很好的ORR催化活性，還具有優異的穩定性和抗甲醇性。