[發(fā)明專利]一種多摻雜碳材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2018-11-28
• 公開（公告）號: CN109279600B
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 毛俊杰;朱磊峰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學
• 主分類號: C01B32/194
• 分類號: C01B32/194;H01M4/96;H01G11/30;H01G11/36
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 趙曉丹

本發(fā)明公開了一種多摻雜碳材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明公開的多摻雜碳材料為過渡金屬和雜原子摻雜的碳材料，其中，所述過渡金屬以單原子形式分散在雜原子摻雜的碳材料中；本發(fā)明的多摻雜碳材料通過將碳材料、過渡金屬化合物和含雜原子的化合物混合球磨制得；本發(fā)明還公開了多摻雜碳材料在制備電池或超級電容器中的應(yīng)用。本發(fā)明提供的多摻雜碳材料中過渡金屬以原子級別分散，在氧氣還原反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，解決了現(xiàn)有多摻雜碳材料催化活性低，穩(wěn)定性差等問題。本發(fā)明提供的球磨法可以宏量制備原子級別分散的多摻雜碳材料，解決了現(xiàn)有技術(shù)制備過程復(fù)雜，需高溫煅燒以及后處理繁瑣，且得到的產(chǎn)物尺寸范圍大、形態(tài)不規(guī)則等問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及催化劑技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種多摻雜碳材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

高性能電極材料的合理設(shè)計和合成在能量轉(zhuǎn)換和存儲技術(shù)中至關(guān)重要。氧還原反應(yīng)(即oxygen reduction reaction，ORR)作為能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中重要的半反應(yīng)受到了廣泛關(guān)注。然而，ORR緩慢的動力學過程、較大的過電位以及穩(wěn)定性問題限制了其進一步發(fā)展。貴金屬鉑和鉑基材料由于出色的催化活性是ORR中最常用的電催化劑，然而其高昂的成本和有效的資源極大限制了其商業(yè)化應(yīng)用。此外，鉑催化劑在實際燃料電池運行中還存在穩(wěn)定性差、抗甲醇交叉效應(yīng)差等不利因素。前期的研究表明，先進的電極材料需要同時滿足以下兩個條件：1、制備工藝簡單，價格低廉且易放大；2、在長期工作條件下依然保持出色的催化性能，即活性，穩(wěn)定性和抗中毒性。

過渡金屬和雜原子摻雜的碳材料被認為是最有前途的鉑催化劑的替代品。例如，M(M＝Fe，Co，Ni等)-N-C催化劑由于高的催化效率和出色的穩(wěn)定性而成為代替商業(yè)催化劑Pt/C的有效電極材料。然而，M-N-C催化劑的合成通常涉及復(fù)雜的過程：首先需要混合多種反應(yīng)前驅(qū)體(如過渡金屬鹽、含N前驅(qū)體、碳源等)，然后經(jīng)過高溫煅燒和繁瑣的后處理；另一方面，高溫熱解策略常導(dǎo)致獲得具有大尺寸范圍，不規(guī)則形態(tài)和/或不同組成的混合產(chǎn)物(例如金屬，金屬氧化物或金屬碳化物)，對進一步研究和理解催化劑結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系造成困難。

因此，本發(fā)明提供了一種合成結(jié)構(gòu)和組分明確的多摻雜碳材料及其制備方法和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的第一個目的在于提供一種多摻雜碳材料。

本發(fā)明的第二個目的在于提供一種多摻雜碳材料的制備方法。

本發(fā)明的第三個目的在于提供一種多摻雜碳材料的應(yīng)用。

為達到上述第一個目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種多摻雜碳材料，所述多摻雜碳材料為過渡金屬和雜原子摻雜的碳材料，其中，所述過渡金屬以單原子形式分散在雜原子摻雜的碳材料中。本發(fā)明提供的多摻雜碳材料解決了現(xiàn)有過渡金屬和雜原子摻雜的碳材料中過渡金屬呈納米顆粒分散，且這些納米顆粒尺寸大小不一，導(dǎo)致其用作氧還原催化劑催化活性低、穩(wěn)定性差的問題；本發(fā)明提供的多摻雜碳材料中的過渡金屬呈原子級別分散，表現(xiàn)出超高的催化活性、穩(wěn)定性和抗甲醇性；此外單原子具有均一的結(jié)構(gòu)和組分，有利于理解結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。

優(yōu)選地，所述雜原子包括N和S。本發(fā)明優(yōu)選N和S進行摻雜，N和S的摻雜可以調(diào)控C的電子結(jié)構(gòu)，此外S有相對大的原子半徑導(dǎo)致碳材料上的缺陷，這兩者的摻雜均會影響材料的電催化性能。

優(yōu)選地，所述過渡金屬選自Fe、Co、Ni中的一種或多種；進一步地，所述過渡金屬為Fe。

優(yōu)選地，所述碳材料為石墨烯或者石墨；進一步地，所述碳材料為石墨烯。本發(fā)明更優(yōu)選石墨烯作為碳材料，石墨烯是電化學性能優(yōu)良的導(dǎo)電材料，被應(yīng)用與許多催化反應(yīng)中；且石墨烯已經(jīng)可以量產(chǎn)，為商業(yè)化應(yīng)用提供可能。

優(yōu)選地，所述過渡金屬、雜原子和碳元素的質(zhì)量比為1:8～25:1～3。

優(yōu)選地，所述雜原子中N和S的質(zhì)量比為50～120:1。