[發明專利]一種氮鐵共摻雜石墨碳及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010514583.5
• 申請日: 2020-06-08
• 公開（公告）號: CN111634907A
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 李健鵬;王培初;黃海;肖定書
• 申請（專利權）人: 惠州市貝特瑞新材料科技有限公司;惠州大亞灣惠大化工研究院有限公司
• 主分類號: C01B32/205
• 分類號: C01B32/205;H01M4/90;B01J27/24;B01J35/00;B01J35/10
• 代理公司: 廣東眾行知識產權代理事務所(普通合伙) 44677
• 代理人: 林少波

本發明屬于新材料技術領域，具體涉及一種氮鐵共摻雜石墨碳及其制備方法和應用。所述制備方法包括如下步驟：S1：將生物質原材料進行預處理，得到干燥的生物質微顆粒；S2：將所述生物質微顆粒與高鐵酸鉀、尿素混合，加入水進行攪拌，使高鐵酸鉀和尿素溶解滲入所述生物質微顆粒里層，加熱干燥；S3：將S2干燥后的混合物置于反應容器中，在保護氣體氛圍下進行碳化反應；S4：將S3碳化反應所得中間產物浸泡于稀酸溶液中，再去除雜質，得到最終產物氮鐵共摻雜石墨碳。所述制備方法所須的設備簡單，制備產物的重現好，易于操作。所得氮鐵共摻雜石墨碳具有豐富的氧還原反應活性位點，可用作氧還原催化劑。

技術領域

本發明屬于新材料技術領域，具體涉及一種氮鐵共摻雜石墨碳的制備方法、以該制備方法所得的氮鐵共摻雜石墨碳及其作為氧還原催化劑的應用。

背景技術

氧還原反應決定了燃料電池、金屬空氣電池的陰極效率，需要催化劑降低反應過電勢，加快動力學進程。傳統的貴金屬如鉑和鉑的合金作為目前最有效的催化劑，但面臨著價格昂貴、資源稀缺、在工作過程中易團聚和易中毒等不足，嚴重限制了它們在大規模商業化的應用。因此，開發高效、廉價的氧還原新型催化劑，以替代貴金屬具有重要的工業意義。

碳材料由于來源豐富、導電性好、孔道豐富、化學物理穩定性好等優點，受到研究者的廣泛青睞。例如中國專利(公開號：CN105728009B)報道了一種金屬/氮/碳的分級多孔電催化劑及其制備和應用,其大孔和介孔有助于改善傳質，微孔有助于氧還原反應活性的提高，過渡金屬的加入有助于氧還原反應活性進一步的提高。盡管如此，金屬、N共摻雜碳催化劑也存在明顯的缺點，比如較低的石墨化程度不僅影響了氧還原催化劑的電子傳導，而且影響了催化劑的穩定性。

通常的策略是引入導電性良好的金屬或者碳納米管以增加材料的導電性，但是材料在服役過程中由于異質界面發生分離，產生較大的阻抗，嚴重地影響了電子的傳導。通過在非定型碳材料中引入石墨化區域是提高其導電性的一種非常良好的策略。另外，氮、金屬等雜原子的引入能夠增加活性位點的數量，改善催化劑的動力學進程。

然而將氮、金屬元素共摻與石墨化區域共耦合的多孔碳的工作鮮有報道。

本發明基于金屬、氮共摻雜催化劑導電性不足的問題，提出一種利于電子在催化劑傳導的金屬、氮共摻雜石墨碳及其制備方法，并將其用于氧還原催化劑。

發明內容

基于上述現有技術的缺陷與不足，本發明的首要目的在于提供一種利用生物質材料制備鐵、氮共摻雜石墨碳的方法，該方法具有低價、環保的優點。

本發明的另一目的在于提供上述氮鐵共摻雜石墨碳及其應用。

本發明的目的通過下述技術方案實現：

一種氮鐵共摻雜石墨碳的制備方法，包括如下步驟：

S1：將生物質原材料進行預處理，得到干燥的生物質微顆粒；

S2：將所述生物質微顆粒與高鐵酸鉀、尿素混合，加入水進行攪拌，使高鐵酸鉀和尿素溶解滲入所述生物質微顆粒里層，加熱干燥；

S3：將S2干燥后的混合物置于反應容器中，在保護氣體氛圍下進行碳化反應；

S4：將S3碳化反應所得中間產物浸泡于稀酸溶液中，再去除雜質，得到最終產物氮鐵共摻雜石墨碳。

優選的，S1中所述預處理的步驟為：將生物質原料進行洗凈、干燥、剪碎及球磨處理得到生物質微顆粒，再進行鼓風干燥，得到干燥的生物質微顆粒。

具體的，所述預處理中鼓風干燥的溫度為80℃至120℃。

優選的，S2中高鐵酸鉀、尿素及所述生物質微顆粒的質量比為(0.4～0.5):(3～4):1。