[發(fā)明專利]基于氮硫共摻雜碳微球/碳片材料的氧還原電催化劑及其應用

有效

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• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN112259745B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發(fā)明（設計）人: 金輝樂;王舜;吳婉儀;張晶晶;劉一嚴;李俊
• 申請（專利權）人: 溫州大學新材料與產(chǎn)業(yè)技術研究院
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/96;H01M4/88
• 代理公司: 溫州名創(chuàng)知識產(chǎn)權代理有限公司 33258
• 代理人: 陳加利

本發(fā)明公開了基于氮硫共摻雜碳微球/碳片材料的氧還原電催化劑及其應用，該氧還原電催化劑包括有氮硫共摻雜碳微球/碳片材料，氮硫共摻雜碳微球/碳片材料通過以下方法制備：S1：將六氯丁二烯與福美鈉在高溫高壓下進行密閉反應；S2：反應結束后，泄壓至常壓，并自然冷卻至室溫，將所得固體干燥，得到干燥樣品；S3：將所述干燥樣品在惰性氣體保護下進行高溫焙燒處理，從而得到所述氮硫共摻雜碳微球/碳片材料；還涉及所述碳材料、用途和包含其的氧還原電極。所述氮硫共摻雜碳微球/碳片材料具有優(yōu)異的性能，可用來制備燃料電池的氧還原電極，從而可用于燃料電池中，并表現(xiàn)出了良好的電化學性能，在電化學領域具有巨大的應用潛力和工業(yè)價值。

技術領域

本發(fā)明屬于無機功能材料和電化學能源技術領域，具體是指一種氮硫共摻雜微介孔碳球/片材料的制備方法及其產(chǎn)品和應用。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)擁有啟動快、壽命長、能量大、無污染等優(yōu)異特點，從而在汽車動力裝置、移動電源以及發(fā)電廠等諸多領域都有著良好的應用前景。但另一方面，由于還存在諸多技術瓶頸不能解決，導致質子交換膜燃料電池離真正的商業(yè)化應用還有比較遙遠的距離。

迄今為止，最為常用的燃料電池催化劑是鉑基催化劑。但由于鉑價格昂貴、資源匱乏，致使催化劑的成本很高。同時鉑基催化劑也存在諸多缺陷，例如穩(wěn)定性差、易中毒、質量活性低等。因此，尋找廉價活性高、穩(wěn)定好的催化劑倍受關注。

近幾年來，具有高比表面積，優(yōu)異的導電性和穩(wěn)定性的碳材料例如碳納米管、介孔碳等已被廣泛地應用于燃料電池方面，例如：

CN109786764A公開了一種具有分級孔、氮硫雙摻雜非金屬碳基氧還原催化劑及制備，屬于催化劑技術領域。通過簡易的方法合成了一種氮、硫、碳均勻分布的有機聚合物，并進一步高溫煅燒,同時完成碳化、氮化和硫化過程，制備出氮、硫雙摻雜型的分級孔碳材料。該材料在未使用模板的情況下具有分級孔的結構，比表面積大、合成方法簡單、原料易得、成本低廉，而且具有良好的穩(wěn)定性。但該材料的催化活性較差，不利于氧還原反應的進行。

CN108767275A公開了一種基于四嗪環(huán)聚咔唑的氮摻雜碳還原催化劑及其制備方法。首先，通過簡單的方法合成了3,6-二（咔唑基）-1,2,4,5-四嗪（TCy），然后將TCy作為單體通過Friedel-Crafts烷基化合反應或氧化偶聯(lián)反應合成了新型的超交聯(lián)聚合物四嗪環(huán)聚咔唑，再將該四嗪環(huán)聚咔唑通過直接熱解的方法得到基于四嗪環(huán)聚咔唑的氮摻雜氧還原催化劑（N/C），合成的催化劑具有優(yōu)異的氧還原（ORR）催化活性和電化學穩(wěn)定性。該方法操作過程復雜，不利于工業(yè)生產(chǎn)，且抗甲醇性能差。

為了實現(xiàn)催化活性好、穩(wěn)定性好、抗甲醇性能好等電化學性能的氧還原電極的制備，本發(fā)明團隊基于以下工作發(fā)明作為基礎，做了以下工作：

CN107887613A公開了基于三維網(wǎng)狀氮磷硫共摻雜多孔碳材料的氧還原電極及制備方法與應用，利用苯胺、六氯環(huán)三磷腈和硫脲為原料，通過水熱合成的方法反應后在惰性氣體下碳化最后制備出三維網(wǎng)狀氮磷硫共摻雜多孔碳材料。所述三維網(wǎng)狀氮磷硫共摻雜多孔碳材料具有優(yōu)異的電學性能，可用來制備燃料電池的氧還原電極，從而可用于燃料電池中，并表現(xiàn)出了良好的抗甲醇性能、導電性等，在電化學領域具有巨大的應用潛力和工業(yè)價值。

CN110556548A公開了一種具有氧還原活性氮硫共摻雜的類花菜結構的碳材料，利用六氯丁二烯、氮硫共源化合物加入溶劑內在高溫高壓下進行密閉反應，在惰性氣體保護下進行高溫焙燒處理，從而得到所述氮硫共摻雜類花菜結構碳材料；還涉及所述復合材料、用途和包含其的氧還原電極。所述氮硫共摻雜類花菜結構碳材料具有優(yōu)異的性能，可用來制備燃料電池的氧還原電極，從而可用于燃料電池中，并表現(xiàn)出了良好的電化學性能，但其產(chǎn)率低，難以工業(yè)化。

基于上述理由，通過簡單、綠色、低成本的合成方法具有良好的電化學性能的新型雜原子摻雜碳材料具有十分重要的意義，也是目前電化學能源領域的研究熱點和重點，而這也正是本發(fā)明得以完成的基礎所在和動力所倚。

發(fā)明內容