[發明專利]基于三維網狀氮磷硫共摻雜多孔碳材料的氧還原電極及制備方法與應用

有效

• 申請號: 201710969673.1
• 申請日: 2017-10-18
• 公開（公告）號: CN107887613B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 王舜;金輝樂;董小妹;劉萌;王繼昌;劉愛麗;張晶晶
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;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

本發明涉及基于三維網狀氮磷硫共摻雜多孔碳材料的氧還原電極及制備方法與應用，該氧還原電極包括有三維網狀氮磷硫共摻雜多孔碳材料，三維網狀氮磷硫共摻雜多孔碳材料的制備包括如下步驟：S1：將苯胺、六氯環三磷腈和硫脲在高于大氣壓的反應壓力下進行密閉反應；S2：反應結束后，泄壓至常壓，去除反應多余溶劑，得到樣品；S3：將所述樣品在惰性氣體保護下進行高溫處理，從而得到所述三維網狀氮磷硫共摻雜多孔碳材料。所述三維網狀氮磷硫共摻雜多孔碳材料具有優異的電學性能，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，提供了一種基于三維網狀氮磷硫共摻雜多孔碳材料的氧還原電極及制備方法與應用，屬于無機功能材料領域。

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。鉑基催化劑作為燃料電池陰極氧還原的主要電催化劑，因其穩定性差、資源有限、成本高等而受限制。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：

CN105206849A公開了一種酸堿性條件下都具有電催化氧還原活性氮硫共摻雜碳材料及制備方法，屬于新材料應用技術領域。其工藝過程如下：將干凈的動物毛發裝入反應釜內襯，加入分析純氨水，進行水熱降解反應，水熱降解得到的溶液烘干后研磨，得到生物有機固體粉末，固體粉末溶于甲醇后加入硝酸鋅得到的懸浮液磁力攪拌均勻后倒入反應釜內襯，溶劑熱過程結束后，通過離心分離得到金屬有機配位聚合物作為前驅體，前驅體在惰性氣氛下熱處理；所得樣品用稀鹽酸清洗，抽濾、干燥，制得氮硫共摻雜碳材料。該材料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酸性與堿性條件下對燃料電池陰極氧還原催化表現出優異的性能。

CN106881138A提供了一種氮磷共摻雜的生物質碳材料的制備方法，是以廉價易得的生物質殼聚糖為碳源和氮源(同時也作為含氮配體)，以有機磷化合物三苯基膦為含磷配體，先使兩種配體在金屬鹽的溶液中與金屬離子形成配合物，然后用ZnCl2作為活化劑，在氮氣氣氛中將配合物高溫熱解造孔，最后再用稀鹽酸去除金屬進行二次造孔，制得具有豐富的微孔和介孔結構、高比表面積的氮、磷共摻雜的生物質碳催化劑，該催化劑在堿性環境下的催化性能與商業Pt/C(20％)相當，而且具有良好的抗甲醇毒化能力和穩定性；且能夠在分子水平上調變催化劑的組成和性能，是一種有望代替商業Pt/C的陰極氧還原催化劑，具有非常好的工業應用前景。

CN104953133A提供了一種具有高氧還原催化活性的氮、硫共摻雜碳微球的制備方法，其主要是在氮氣保護下，將碳源、氮源、硫源和分析純的表面活性劑依次加入到不銹鋼反應釜中攪拌后密封，置于坩鍋爐中加熱，待反應釜自然冷卻到室溫，取出混合物；洗滌，過濾上述混合物，將所得的粉末置于真空干燥箱中干燥，將所得產物與分析純氫氧化鉀粉末混合均勻，在氬氣氛圍下活化處理，再用蒸餾水洗滌，最后置于真空干燥箱中真空干燥。本發明工藝簡單、反應條件溫和、重復性高、成本低，所得產品在堿性環境下氧還原催化性能優異，催化活性較高，穩定性好，甲醇和一氧化碳耐受性較好，在燃料電池催化劑方面有著巨大的應用潛力。

CN105457666A提供了一種氮磷共摻雜多孔碳催化劑的制備方法及其應用，屬于燃料電池陰極氧還原催化劑領域。本發明采用原位摻雜法引入氮和磷，通過調控氮磷前軀體的含量改變氮磷摻雜量，另外，采用硬模板法來制備氮磷共摻雜多孔碳，可通過調控硬模板來實現多孔碳的孔徑可控。本發明所述方法為：制備苯胺單體、磷前驅體、硅基硬模板、非貴金屬鹽的前期聚合物；將前期聚合物煅燒得到固體；固體經過刻蝕、清洗、干燥后得到本發明所述的碳材料。更重要的是，所制備的氮磷共摻雜多孔碳材料在酸性條件下具有良好的氧還原電催化性能，具有很大應用潛力。