[發(fā)明專利]氮摻雜多孔炭材料的制備方法和氮摻雜多孔炭材料

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911124805.6
• 申請(qǐng)日: 2019-11-18
• 公開（公告）號(hào): CN110963477B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃衛(wèi)民;張子祺;時(shí)軍;姚凱達(dá);劉芳兵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/05
• 分類號(hào): C01B32/05;C01B32/15;H01M4/583;H01M10/0525;B01J27/24;C25B11/091
• 代理公司: 長(zhǎng)春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 朱世林;牟風(fēng)平

本發(fā)明涉及氮摻雜多孔炭材料的制備方法、氮摻雜多孔炭材料、電催化劑和鋰離子電池用電極材料。所述制備方法包括如下步驟：(1)準(zhǔn)備如下原料：具有微介孔特性的多孔炭，三聚氰胺，可溶性亞硝酸鹽和濃鹽酸；(2)將以上原料溶于水中并持續(xù)攪拌以進(jìn)行反應(yīng)，得到反應(yīng)產(chǎn)物；(3)將所述反應(yīng)產(chǎn)物過濾，然后分別用乙酸和水進(jìn)行洗滌并過濾，接著將所述反應(yīng)產(chǎn)物烘干，得到烘干物；(4)在惰性氣氛保護(hù)下，將所述烘干物升溫并進(jìn)行煅燒，得到所述氮摻雜多孔炭材料。本發(fā)明的制備方法工藝簡(jiǎn)單、安全性高、產(chǎn)率高。所得的氮摻雜多孔炭材料可提供較高的氧氣還原反應(yīng)催化活性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無機(jī)微納米材料領(lǐng)域，特別是涉及一種表面具有較高的氧氣還原催化性能的氮摻雜多孔炭材料的制備方法、由此制得的氮摻雜多孔炭材料、包含所述氮摻雜多孔炭材料的電催化劑和鋰離子電池用電極材料。

背景技術(shù)

氮摻雜多孔炭材料因其在能源和環(huán)境領(lǐng)域的各種應(yīng)用而受到廣泛研究。最近的研究表明，存在于含碳結(jié)構(gòu)中的雜原子，特別是氮原子，其可能參與電子交換過程，并有助于產(chǎn)生贗電容，從而改善諸如電化學(xué)電容材料等多孔炭的性質(zhì)。不僅如此，氮摻雜多孔炭材料因其獨(dú)特的性質(zhì)也在環(huán)境修復(fù)、氣體分離、重金屬回收以及儲(chǔ)氫等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

氧氣還原反應(yīng)是燃料電池的正極的關(guān)鍵反應(yīng)。燃料電池在運(yùn)行時(shí)，電極將氧氣還原成水的過程中需要轉(zhuǎn)移四個(gè)電子，因此，優(yōu)異的氧氣還原反應(yīng)電催化劑顯得尤為重要。氮摻雜多孔炭材料用于電催化氧氣還原領(lǐng)域時(shí)，尤其是其中的吡啶氮和石墨氮，更是提供了大量的催化活性位點(diǎn)，對(duì)催化氧氣還原反應(yīng)起到非常積極的作用。

截止目前，大多數(shù)氮摻雜多孔炭材料主要通過如下方法制得：將含氮有機(jī)物前體直接煅燒(參見非專利文獻(xiàn)1)，或者將多孔炭與NH₃或者其他含氮有機(jī)物混合煅燒(參見非專利文獻(xiàn)2)。

然而，直接煅燒含氮有機(jī)物前體很難控制氮原子完全處于材料的表面，因此氮原子利用率非常低。

將多孔炭與NH₃或者其他含氮有機(jī)物混合煅燒盡管可以直接得到表面N原子的摻雜，然而由于NH₃在高溫煅燒時(shí)發(fā)生分解成氫氣等，具有一定的危險(xiǎn)，不利于操作。而且，對(duì)于含氮有機(jī)物混合煅燒，一方面在煅燒過程中氮原子被載氣Ar或者N₂吹動(dòng)從而流失嚴(yán)重，另一方面產(chǎn)生大量無效的含氮官能團(tuán)，比如吡咯氮、氧化氮等，這些使得吡啶氮和石墨氮等的比例降低，從而導(dǎo)致催化等性能降低。

因此，急需提供一種簡(jiǎn)單的制備表面高催化活性的氮摻雜多孔炭材料的方法及所述氮摻雜多孔炭材料。

引用文獻(xiàn)

非專利文獻(xiàn)1：Angew?Chem?Int?Ed,2015,54(2):588-593.

非專利文獻(xiàn)2：International?Journal?of?Hydrogen?Energy,40(2015)16230-16237.

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題

本發(fā)明的第一目的是提供一種具有表面高催化氧氣還原反應(yīng)活性的氮摻雜多孔炭材料的制備方法，所述制備方法能夠提高氮原子利用率，避免工藝危險(xiǎn)性，且提高產(chǎn)率。

本發(fā)明的第二目的是提供一種具有表面高催化氧氣還原反應(yīng)活性的氮摻雜多孔炭材料，所述氮摻雜多孔炭材料可通過上述制備方法制得。

本發(fā)明的第三目的是提供一種電催化劑，所述電催化劑包含上述氮摻雜多孔炭材料。

本發(fā)明的第四目的是提供一種鋰離子電池用電極材料，所述電極材料包含上述氮摻雜多孔炭材料。

技術(shù)方案