[發明專利]一種非金屬摻雜碳氣凝膠電催化劑的制備方法

在審

• 申請號: 202110355777.X
• 申請日: 2021-04-01
• 公開（公告）號: CN113198503A
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 吳曉棟;盧嘉欣;沈曉冬;崔升;丁潔;郝溫可;安晨
• 申請（專利權）人: 南京工業大學;江蘇瑞盈新材料科技發展有限公司
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J27/14;B01J27/02;B01J21/18;B01J35/00;B01J35/10
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤

本發明屬于納米多孔材料的制備工藝領域，尤其涉及一種非金屬摻雜碳氣凝膠電催化劑的制備方法。通過引入碳酸鈉催化劑發生酚醛反應，采用溶膠?凝膠法結合超臨界干燥工藝和高溫熱處理制備出一種非金屬摻雜有機氣凝膠，然后在含有惰性氣體氛圍的管式爐中進行高溫熱處理，從而制備出一種非金屬摻雜碳氣凝膠電催化劑。本發明制備的催化劑，具有優越的電催化性能，比表面積大，且工藝簡單，高效，低成本。

技術領域

本發明屬于氣凝膠材料的制備工藝領域，涉及一種非金屬摻雜碳氣凝膠電催化劑的制備方法。

背景技術

電催化反應可廣泛應用于緩解傳統化石燃料燃燒而導致的能源危機和環境惡化問題，并應用于燃料電池，鋅空電池、電解水、電催化、等領域。當前熱門的電催化反應有電催化析氫反應(HER)、氧還原反應(ORR),還原二氧化碳反應(CRR)、氮還原反應(NRR)等。其中HER是指通過電化學方法使用催化劑產生氫氣，ORR是指通過電化學方法，使氧氣分子轉變成水或雙氧水，CRR是指二氧化碳還原成單碳或多碳類的碳氫化合物，NRR是指氮氣被還原成氨氣。Jiang等以檸檬酸和氯化銨為原料，采用自發氣體發泡法制備摻氮超薄碳納米片，在N₂飽和的0.5mH₂SO₄電解質中觀察到NCN樣品的HER活性顯著提高，電流密度為10mA/cm^-2時，此樣品的過電勢為0.09V，且具有優良的動力學性質(EnergyEmvironmentalScience,2019,12(1).)。Liu等以采用原位合成、Co₃O₄/CNSs氧化和與硫化鈉水熱反應的簡單方法制備了雙功能氧電催化劑Co₉S₈/CNSs材料，這種Co₉S₈/C雜化NS催化劑具有豐富的活性中心和二維片狀結構，過電位低，催化性能優越，具有較小的Tafel斜率為119mV dec^-1，對ORR和OER都具有良好的雙功能電催化性能(Nanoscale,2019.11(3).)。Guo等采用原位一步自組裝和受限熱解的方法制備了高效的N摻雜CNT包覆Co₂P-CoN雙活性中心電催化劑，作為柔性鋅-空氣電池的陰極電催化劑，起始電位為0.96V，其半波電位為0.85V，極限電流密度為5.01mAcm^-2，具有優異的電催化活性和氧還原活性(Advansed functional Materials,2018.28(180564151).)。電催化研究較多的有骨架鎳、硼化鎳、碳化鎢、鈉鎢青銅、尖晶石型半導體氧化物等材料，這些金屬材料或金屬氧化物作為電催化劑存在著一些不足，例如金屬價格昂貴、比表面積小，這就導致催化劑與反應物的接觸面積小，催化性能較弱。

氣凝膠是一種三維納米多孔結構的輕質材料，具有高孔隙率、低密度、低聲傳播速度、低介電常數、高比表面積等優異性能。在熱學、光學、聲學、微電子、催化、航空航天和節能建筑等領域的應用前景十分廣闊。因此，采用可導電氣凝膠作為電催化材料，利用氣凝膠材料的高比表面積，可以提升電催化性能。可導電的氣凝膠有：碳氣凝膠、石墨烯氣凝膠和金屬氣凝膠。其中，碳氣凝膠具有高比表面積、高孔隙率、強耐腐蝕性、低密度、低電阻系數和穩定性較好的網絡結構，是催化劑載體的最佳材料之一和高效高能電容器的理想材料。但是當單獨使用碳氣凝膠作為電催化材料時，它的結構中沒有特別的催化活性位，達不到很好的催化效果。為了進一步提高電催化性能，選擇非金屬元素摻雜入碳氣凝膠中，摻入的非金屬元素可以提供豐富的結構缺陷和活性位點，并在碳原子周圍產生局域電子態，成為一個明確的催化活性位，隨之產生聯動反應，因此，將非金屬元素摻雜入碳氣凝膠中大大提高了催化劑的電催化活性，達到更好的催化效果。

發明內容

本發明將目的是為了改進現有技術存在的不足而提供一種非金屬摻雜碳氣凝膠電催化劑的制備方法，該方法采用溶膠—凝膠法結合超臨界干燥工藝和高溫熱處理合成非金屬摻雜的碳氣凝膠，原料和工藝簡單，耗能低，結構可控，制備出的氣凝膠材料具備低密度、高比表、高電催化等特性，對實現氣凝膠材料在電解水、電催化、燃料電池及節能環保等領域的應用具備積極的生產意義。