[發明專利]一種氮摻雜的碳KB材料及其制備與應用

在審

• 申請號: 201810652812.2
• 申請日: 2018-06-22
• 公開（公告）號: CN108786890A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 劉建峰;張振海;丁昇;李敏;袁斌霞;王道累
• 申請（專利權）人: 上海電力學院
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C25B1/00;C25B11/06
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙志遠

本發明涉及一種氮摻雜的碳KB材料及其制備與應用，將碳KB燒結反應，然后進行熱解摻雜處理，得到氮摻雜的碳KB材料，該氮摻雜KB材料可用于制備二氧化碳電解的電極催化劑。與現有技術相比，本發明方法具有工藝簡單安全、成本低廉、周期短、環境友好等優點。

技術領域

本發明涉及新能源和新材料應用技術領域，具體涉及一種氮摻雜的碳KB材料及其制備與應用。

背景技術

二氧化碳電解是實現人工碳循環的重要一步，其基本原理是將二氧化碳與電源電子相結合從而轉化為一氧化碳，最終生成甲醇等高附加值化學品和碳氫燃料。由于二氧化碳電解技術所需條件相對溫和，反應過程易于控制，所使用的電化學反應系統緊湊靈活，擁有模塊化易于大規模生產，更重要的是這種技術在降低二氧化碳大氣濃度的同時，可與可再生能源或富余核能相結合實現大規模電能存儲，并且提供高值化學品和燃料，因此其被視為一項極具應用前景的新能源技術。

在二氧化碳電解技術中，由于二氧化碳是碳的最穩定氧化態，使得催化劑成為電解中重要的組成部分，因此其合適與否直接影響著整體轉化效率、選擇性以及穩定性的提升，是實現電解技術突破的關鍵。當前，商業上常用的是碳載鉑催化劑，其雖然高效，但鉑的高成本以及開發貴金屬資源對環境的大規模污染嚴重限制了其在催化劑方面的應用。因此，尋找催化高效、成本低廉以及環境友好的可替代催化劑成為二氧化碳電解技術研究的關鍵領域之一。

近年來，非貴金屬摻雜碳材料，由于其價格低廉，催化性能優異，對環境友好，被普遍認為具有廣闊的前景。其中，氮摻雜碳材料是一種典型的非貴金屬催化劑，其已經被發現能夠表現出對二氧化碳電解的優異的催化活性，原因主要在于氮元素的摻入導致材料中出現了吡啶氮等活性組分。

日本獅王公司制造的EC600-JD型碳KB，由于其比表面積較大，導電性較高，韌性較強以及價格優勢，使其在燃料電池、超級電容器等諸多領域有著巨大的潛力。近年來，對碳KB進行氮摻雜的研究，以提升其應用性能，逐漸成為碳材料領域的研究熱點之一。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種工藝簡單安全、成本低的氮摻雜的碳KB材料及其制備與應用。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種氮摻雜的碳KB材料，該材料呈三維球狀中空結構，所述材料由有序的C＝C結合鍵結構與摻雜在其中的N原子組成，其中，氮原子占整個材料原子總量的百分比為0.5at％～1at％。

碳KB本身具有三維球形結構，其內部中空，因此比表面積高于1200m²/g，同時兼具導電性高、韌性強、經濟性能好等優勢，被廣泛地應用在燃料電池、超級電容器等諸多領域。因此，作為催化劑的載體被用在二氧化碳電解過程的電催化劑中。而且碳KB具有比較穩定的C＝C有序結構，經過熱解摻雜后，N原子以吡啶氮、吡咯氮、石墨氮的碳氮化合建結合形式被摻雜進碳原子的有序結構中，其中氮原子為二氧化碳的電解反應提供了活性位點。

所述碳KB材料的粒徑為30～50nm。

一種如上所述氮摻雜的碳KB材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)首先將碳KB材料在氮氣保護下燒結；XPS及XRD表征曲線表明，經過了氨氣處理后，氮原子被成功的摻雜進碳原子中，摻雜比例在0.5at％～1at％。

(2)然后將氮氣燒結后的碳KB進行氨氣處理，自然冷卻后即得所述氮摻雜的碳KB材料。

優選的，所述燒結是以10℃/min的速率升溫至1400℃，然后保溫2h后自然降溫至室溫。

優選的，所述胺處理在99.9％純氨氣環境下進行，采用10℃/min使溫度升至600℃并保持15min，然后自然降溫至室溫。

一種如上所述氮摻雜的碳KB材料的應用，該材料用于制備二氧化碳催化電解的電極。