[發(fā)明專利]一種電化學(xué)輔助的氮、磷雙摻雜碳基空氣電極的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910289810.6
• 申請日: 2019-04-11
• 公開（公告）號: CN110112427B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程元徽;周圣杰;向中華;張寧遠(yuǎn);姜鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/96;H01M12/06;H01M12/08
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種電化學(xué)輔助的氮、磷雙摻雜碳基空氣電極的制備方法，屬于空氣電極技術(shù)領(lǐng)域。采用吡咯等為電聚合氮源，四丁基六氟磷酸銨等為磷源和支持電解質(zhì)，通過電化學(xué)方法在預(yù)處理后的導(dǎo)電碳基體上進(jìn)行聚合；通過后續(xù)的煅燒工藝，最終得到氮、磷雙摻雜碳基空氣電極。其中氮(其中一源)通過聚合物形式均勻分布，同時磷原位浸漬包裹其中。該一體化電極具有較高的比表面積，良好的催化性能和穩(wěn)定性。可以作為陰極催化劑應(yīng)用于金屬空氣電池中，具有廣泛的實際應(yīng)用價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于空氣電極技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氮、磷雙摻雜碳基空氣電極，還涉及一種制備上述材料的方法。

背景技術(shù)

碳材料中進(jìn)行雜原子的摻雜可以增加材料的氧化還原催化活性，且抗氧化能力強，穩(wěn)定性好，受到大量科研工作者的研究和追捧。人們首先研究了單原子摻雜，包括金屬單原子摻雜和非金屬單原子摻雜，由于相對于金屬原子摻雜，非金屬原子摻雜具有更低的成本，所以研究價值更高。現(xiàn)在氮摻雜碳材料已成為研究最多的非金屬單摻雜材料；除此以外，像硼、硫、磷、和氟等單原子的摻雜也逐步開始被研究。隨后，雙原子摻雜碳材料也逐漸成為熱點。而一體化電極則解決了傳統(tǒng)粉末催化劑負(fù)載不牢固易脫落的問題，使催化效率大幅度提高。一些報道和專利中的非金屬雙原子摻雜一體化電極制備方法繁瑣，且催化性能不夠優(yōu)異。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的第一個目的在于提供一種電化學(xué)輔助的氮、磷雙摻雜碳基空氣電極的制備方法.

本發(fā)明的該方法包含以下步驟：

(1)導(dǎo)電碳基體的預(yù)處理：將導(dǎo)電碳基體，用丙酮，無水乙醇等有機溶劑和去離子水清洗，然后浸入硫酸和硝酸的混合酸中進(jìn)行浸泡，處理完畢后完全干燥；

(2)聚合電解液的制備，選取可以電化學(xué)聚合的含氮元素有機配體、含磷元素的化合物作為反應(yīng)物，將上述反應(yīng)物溶于溶劑中，配制成聚合電解液，或進(jìn)一步在上述聚合電解液中還包括可溶于所述溶劑的電解質(zhì)；

(3)氮、磷雙摻雜碳基空氣電極的制備，將步驟(1)的導(dǎo)電碳基體作為工作電極，上述所述的聚合電解液作為電解液，采用三電極體系，在導(dǎo)電碳基體上聚合生成含有氮、磷的聚合物，將反應(yīng)完的導(dǎo)電碳基體進(jìn)行干燥，將包覆有聚合物的導(dǎo)電碳基體放入惰性氣體中，設(shè)置好升溫程序，進(jìn)行高溫煅燒，最終得到氮、磷雙摻雜碳基空氣電極。

導(dǎo)電碳基體為碳布、碳紙、碳纖維或其它導(dǎo)電碳基體。

進(jìn)一步優(yōu)選含氮元素有機配體選自吡咯、吡啶；含磷元素的化合物可為含磷的有機物或無機物，如選用植酸，四丁基六氟磷酸銨等，優(yōu)選的含磷化合物為四丁基六氟磷酸銨；在含氮元素有機配體進(jìn)行電聚合時將含磷元素的化合物包覆或夾帶其中，如磷原位浸漬包裹其中；聚合電解液的溶劑可選用水或有機溶劑，優(yōu)選的溶劑為乙腈。

電解質(zhì)可以為高氯酸鹽、氯化鉀、四丁基六氟磷酸銨等，優(yōu)選的為四丁基六氟磷酸銨；

電化學(xué)聚合：利用恒電流法，恒電勢法，電流階躍法，循環(huán)伏安法等進(jìn)行電聚合，優(yōu)選為循環(huán)伏安法。所述混合酸中濃硝酸與濃硫酸的比例為1:2。處理后的導(dǎo)電碳基表面相比于原來具有更多的紋理和更大的比表面積。

各反應(yīng)物的濃度均為0.1mol/L-1mol/L，電解質(zhì)濃度為0.1mol/L-0.5mol/L。

煅燒過程在惰性氣體中進(jìn)行，升溫速度為1-9℃/min；分為兩個加熱過程，第一個過程升溫至300-500℃后，恒溫1h-2h,然后再升溫至800℃-1000℃，恒溫1h-2h。優(yōu)選以5℃/min的升溫速率升至350℃并恒溫2h，再升溫至900℃，恒溫2h。煅燒過程優(yōu)選在氬氣氛圍中。

本發(fā)明制備得到的氮、磷雙摻雜碳基空氣電極結(jié)構(gòu)為碳纖維表面包覆一層由含氮聚合物加含磷的物質(zhì)煅燒后留下的碳骨架薄膜，薄膜厚度在1nm-200nm。

本發(fā)明所得到的氮、磷雙摻雜碳基空氣電極為親水材料。

本發(fā)明的有益結(jié)果是：