[發明專利]一種具有分級孔、氮硫雙摻雜非金屬碳基氧還原催化劑及制備

有效

• 申請號: 201810085714.5
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN109786764B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 程元徽;王雅嵐;黃海麗;郭銀建;向中華
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種具有分級孔、氮硫雙摻雜非金屬碳基氧還原催化劑及制備，屬于催化劑技術領域。通過簡易的方法合成了一種氮、硫、碳均勻分布的有機聚合物，并進一步高溫煅燒,同時完成碳化、氮化和硫化過程，制備出氮、硫雙摻雜型的分級孔碳材料。該材料在未使用模板的情況下具有分級孔的結構，比表面積大、合成方法簡單、原料易得、成本低廉，而且具有高效的氧還原反應催化活性和良好的穩定性。在金屬?空氣電池，可再生燃料電池等領域具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及氮硫雙摻雜、具有分級孔的非金屬碳基氧還原催化材料的制備方法，具體涉及一種利用含碳、氮、硫的材料作為反應物，然后經前聚合和高溫煅燒熱解的方法獲得具有氧還原催化性能的碳材料電催化劑，在金屬-空氣電池、可再生燃料電池等領域具有廣闊的應用前景，屬于催化劑技術領域。

背景技術

金屬-空氣電池具有超高的能量密度被認為是最有發展前景的能源存儲與轉換裝置之一。金屬-空氣電池是以輕質金屬作為負極活性物質,以空氣中的氧氣作為正極活性物質,氧氣通過氣體擴散電極到達氣-液-固三相界面與金屬負極反應而放出電能。陰極電化學氧還原反應的緩慢動力學是影響金屬-空氣電池性能的關鍵因素，因此需要氧還原反應催化劑進行催化。

目前金屬-空氣電池正極氧電極催化劑以Pt、Ru、Au等貴金屬及其合金為主。貴金屬如Pt/C，IrO₂/C等雖然催化性能高，但是價格昂貴、資源稀缺、穩定性差，從而限制了其商業化發展與應用。研究表明功能化后的碳材料可以催化氧還原反應的進行，通過摻雜氮、硫雜原子制備出的碳材料非金屬催化劑不僅具有良好的催化效果，而且原料成本低且易得，穩定性好，雜原子摻雜的碳材料催化劑因此成為了氧還原催化劑的重要研究方向。然而，摻雜量低，摻雜源不均勻分布制約了碳材料催化劑性能的進一步提高。

發明內容

本發明所解決的技術問題是：通過成碳前驅體的分子級設計，將氮源、硫源和碳源均勻的分布于前驅體中，有效解決了摻雜元素分布不均勻的難題。同時通過成碳前驅體的結構設計，提高摻雜型碳材料的孔隙率與比表面積。有機聚合物經高溫碳化獲得了同時具有高效的氧還原反應催化性能與良好的穩定性的氮硫雙摻雜、具有分級孔的非金屬碳基氧還原催化劑。該材料在未使用模板的情況下同時具有微孔、介孔和大孔的分級孔結構，比表面積可達到1261.0214m²/g，合成方法簡單、原料成本低廉，解決了金屬-空氣電池催化劑催化性能不高，穩定性差，成本高難以大規模推廣的問題。

本發明是通過以下方式實現的，一種具有分級孔、氮硫雙摻雜非金屬碳基氧還原催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1)使用氮源、硫源、碳源直接合成含有氮、硫、碳均勻分布的的有機聚合物材料，稱取一定量的氮源、硫源、碳源，混合并分散于溶劑中，加入催化劑，待溶劑蒸干，然后轉移到反應容器中升到一定溫度保持一段時間聚合獲得含碳、氮、硫的有機聚合物材料；

步驟2)將合成的含碳、氮、硫的有機聚合物材料轉移到瓷舟中，并放入高溫管式爐中高溫煅燒一段時間，自然冷卻即獲得氮硫雙摻雜非金屬碳基氧還原催化劑。

進一步優選：

步驟1)，所述硫源為選自1,3,5-苯三硫酚、三聚硫氰酸、2,5-二氨基-1,4-苯二噻吩二鹽酸鹽中的一種、兩種或兩種以上。

步驟1)中所述氮選自三聚氯腈、三聚硫氰酸、三聚氰胺的一種、兩種或兩種以上。

氮源和硫源可以為同一物質如三聚硫氰酸，也可以是兩種不同的物質。

步驟1)，所述碳源為環糊精、碳納米管、石墨烯中的一種、兩種或兩種以上。

步驟1)，硫源、氮源和碳源的物質的量之比范圍為(10-30):(10-30):1，優選(12-20):(12-20):1，更優選(13-15):(13-15):1。

步驟1)，所述的溶劑優選為水去離子水、乙醇中的一種或兩種；