[發(fā)明專利]一種氮摻雜多孔生物質(zhì)碳的制備方法及其應用

在審

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• 申請日: 2019-11-28
• 公開（公告）號: CN110854395A
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發(fā)明（設計）人: 江鴻;葉雨陽
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學技術(shù)大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 藏斌

本申請屬于燃料電池電催化材料領域，尤其涉及一種氮摻雜多孔生物質(zhì)碳的制備方法及其應用。本發(fā)明提供的制備方法包括以下步驟：生物質(zhì)殼聚糖依次在惰性氣體、CO₂和NH₃氣氛中進行熱解，得到氮摻雜多孔生物質(zhì)碳；其中，在惰性氣體、CO₂和NH₃氣氛中進行熱解的升溫速率依次為3～7℃/min、8～15℃/min、8～15℃/min，升溫終點溫度依次為400～600℃、700～800℃、700～900℃，保溫時間依次為1～3h、1～8h、1～8h。本發(fā)明通過優(yōu)化設計合適的熱解溫度和熱解氣氛，使制得的氮摻雜多孔生物質(zhì)碳具有十分優(yōu)異的電催化氧還原性能、穩(wěn)定性和耐甲醇性，在燃料電池電催化材料領域具有廣闊的應用前景。

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于燃料電池電催化材料領域，尤其涉及一種氮摻雜多孔生物質(zhì)碳的制備方法及其應用。

背景技術(shù)

隨著環(huán)境污染問題日趨嚴重、傳統(tǒng)化石燃料日益消耗，開發(fā)清潔、高效、可持續(xù)的能源成為當今科學家的一個重要研究課題。燃料電池是一種能夠?qū)⑷剂系幕瘜W能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其具有能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料來源豐富和污染低等優(yōu)點，成為最具開發(fā)前景的新型綠色能源技術(shù)。如今，新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人們急需發(fā)展一種綠色環(huán)保、經(jīng)濟實惠的高性能燃料電池用于汽車動力。其中電催化劑是燃料電池的關(guān)鍵部分，目前用于燃料電池中陰極氧還原反應的電催化劑主要以貴金屬鉑系催化劑為主，但不幸的是鉑在地球上的儲量有限、價恪昂貴，其在陰極上的載量較多。另外，鉑基材料還受到其他因素的制約，如甲醇中毒引起的性能下降和穩(wěn)定性差，這些不利因素都大大阻礙了燃料電池的商用的步伐。因此，制備成本低廉且具有良好催化活性、穩(wěn)定性和耐甲醇性能的復合材料電催化劑，對于快速實現(xiàn)燃料電池大規(guī)模商業(yè)化應用具有重要的意義。

近年來，隨著材料科學的不斷發(fā)展，越來越多具有高電化學性能的碳材料被報道，如石墨烯、碳納米管、超薄碳納米片、超級導電炭黑及中空碳球等。這些碳材料可以通過摻雜原子N、S、P及B作為電催化劑直接應用于燃料電池的陰極反應，也可以作為一些金屬、金屬氧化物或金屬硫化物等的載體。目前，一些非貴金屬摻雜的碳材料的電催化氧還原的性能已經(jīng)超過的鉑基催化劑，其價格雖然比鉑便宜但依然較高，且制備過程復雜不適合大規(guī)模商業(yè)化應用。

每年全球近1400億來自于農(nóng)業(yè)和林業(yè)的廢棄生物質(zhì)，如何將這些生物質(zhì)的合理利用成為研究熱點。相對于其他還停留在研究層面的碳材料，生物質(zhì)碳的制備過程的簡單、成本低廉且可持續(xù)化。因此，開發(fā)一種適用于作為燃料電池催化劑的生物質(zhì)碳材料，對于實現(xiàn)廢棄生物質(zhì)的資源化和燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化都具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種氮摻雜多孔生物質(zhì)碳的制備方法及其應用，采用本發(fā)明方法制備的氮摻雜多孔生物質(zhì)碳具有十分優(yōu)異的電催化氧還原性能、穩(wěn)定性和耐甲醇性，在燃料電池電催化材料領域具有廣闊的應用前景。

本發(fā)明提供了一種氮摻雜多孔生物質(zhì)碳的制備方法，包括以下步驟：

生物質(zhì)殼聚糖依次在惰性氣體氣氛、CO₂氣氛和NH₃氣氛中進行熱解，得到氮摻雜多孔生物質(zhì)碳；

其中，在所述惰性氣體氣氛中進行熱解的升溫速率為3～7℃/min，升溫終點溫度為400～600℃，保溫時間為1～3h；

在所述CO₂氣氛中進行熱解的升溫速率為8～15℃/min，升溫終點溫度為700～800℃，保溫時間為1～8h；

在所述NH₃氣氛中進行熱解的升溫速率為8～15℃/min，升溫終點溫度為700～900℃，保溫時間為1～8h。

優(yōu)選的，在所述惰性氣體氣氛中進行熱解的升溫速率為5～6℃/min，升溫終點溫度為500～550℃，保溫時間為2～2.5h。