[發(fā)明專利]雜原子摻雜多孔碳膜及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810520309.1
• 申請(qǐng)日: 2018-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN108745399A
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王鴻;邵越;江志萍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/24
• 分類號(hào): B01J27/24;B01J35/10;C25B11/12;C25B1/04;C08J9/28;C08L39/04;C08L33/00
• 代理公司: 天津耀達(dá)律師事務(wù)所 12223
• 代理人: 張耀

本發(fā)明提供一類雜原子摻雜多孔碳膜及其制備方法和應(yīng)用，屬于新能源碳基材料領(lǐng)域。本發(fā)明首先合成功能聚離子液體，然后將其與含有羧基的化合物混合溶解，通過(guò)流延成膜的技術(shù)得到聚合物膜。再通過(guò)氨水浸泡得到多孔聚合物復(fù)合膜。此聚合物復(fù)合膜經(jīng)碳化處理，即可制得到雜原子摻雜的多孔碳膜。所制備的碳膜具有可控的厚度、孔徑、可設(shè)計(jì)的形狀，易大規(guī)模制備。并且易功能化，可以負(fù)載金屬納米材料、碳納米管、石墨烯等功能材料。本發(fā)明制備的多孔雜原子摻雜碳膜可作為氣體擴(kuò)散電極在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一類可大規(guī)模制備的、自支撐雜原子摻雜多孔碳膜及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

多孔碳材料因其價(jià)廉易得、大的比表面積、較好的電導(dǎo)率及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良性質(zhì)被廣泛的作為催化劑的載體或者零部件應(yīng)用于各種能源轉(zhuǎn)化器件。高性能碳材料是近些年是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)[1-4]。目前，全世界對(duì)于功能碳材料的研發(fā)還處于對(duì)粉末碳的形貌和組分的調(diào)控階段。在實(shí)際的器件加工應(yīng)用過(guò)程中，往往需在所制備的碳基粉末加入聚合物粘合劑(如Nafion和PVDF)，再壓制成一定形狀的薄膜。然而，聚合物粘合劑的引入會(huì)對(duì)碳基材料的結(jié)構(gòu)和性能造成顯著的不利影響，例如：(1)粘合劑會(huì)降低粉末碳的電導(dǎo)率，從而降低其性能；(2)制膜過(guò)程中的高壓會(huì)破壞粉末碳的原始孔結(jié)構(gòu)和形貌。(3)粉末碳與粘合劑的機(jī)械粘合作用較弱，在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)粉末碳的脫落，進(jìn)而縮短使用壽命；因此，可大規(guī)模制備、高效穩(wěn)定，可直接使用無(wú)需添加粘合劑的碳膜的研發(fā)，將有望克服以上粉末碳材料的缺陷，大大提高器件的性能和穩(wěn)定性[5-7]。但是由于其孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，制備三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高性能多孔碳膜具有非常大的挑戰(zhàn)性。

商業(yè)化的碳紙被廣泛的作為氣體擴(kuò)散層而應(yīng)用于燃料電池、催化劑的載體等各種能源轉(zhuǎn)化反應(yīng)[8-9]。但是，商業(yè)化的碳紙孔結(jié)構(gòu)不能在大范圍調(diào)控，極大的限制了其應(yīng)用范圍和性能。同時(shí)碳紙的低電導(dǎo)率限制了器件性能的進(jìn)一步提高。

雜原子摻雜的碳材料具有獨(dú)特的抗氧化性、高的電導(dǎo)率、可調(diào)控電化學(xué)活性及在酸堿條件下高的穩(wěn)定性，其在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域有著非常巨大的發(fā)展前景[10-13]。本發(fā)明將提供一種全新的雜原子摻雜多孔碳膜。雜原子的種類和含量可以通過(guò)碳化溫度、聚合物(碳膜前驅(qū)體)的結(jié)構(gòu)調(diào)控，碳膜的孔徑可以通過(guò)聚合物(碳膜前驅(qū)體)的結(jié)構(gòu)和分子量精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。此外，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的碳膜易大規(guī)模制備、易功能化，展現(xiàn)出很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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