一种杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，属于材料制备技术领域。本发明专利技术的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法包括以下步骤：先将氮源和磷源依次修饰在模板剂的表面，然后以沥青质含量不低于40wt％的重质油为碳源，通过模板法原位改性制备氮磷共掺杂多孔碳材料。本发明专利技术还提供一种上述的杂原子掺杂多孔碳材料作为催化剂在电催化氧还原中的应用。与传统后掺杂氮磷共掺杂多孔碳材料相比，该方法能够实现氮磷均匀协同掺杂，制备流程简单，产品电催化氧还原反应性能优异，并且以硬质沥青等沥青质含量较高的重质油为原料，成本低廉，具有广泛的应用前景。广泛的应用前景。广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于材料制备
，具体涉及一种杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]随着能源和环境问题的日益突出，燃料电池作为一种高效清洁的能量转换装置，具有广泛的应用前景。然而，由于阴极的氧还原反应(ORR)具有较低的动力学反应速率，需要使用具有高催化活性和反应稳定性的贵金属催化剂，目前常用的是铂基(Pt/C)催化剂。
[0003]但是，Pt/C催化剂主要存在以下缺点：(1)铂的价格高而且储量有限。催化剂的花费可占燃料电池装置的一半。(2)铂的稳定性差。在反应过程中，铂存在烧结、溶解、团聚等问题，大大降低了燃料电池的性能。(3)铂易中毒。铂易受甲醇等燃料产生的一氧化碳的影响，使铂的活性位中毒，导致混合电位产生，从而使燃料电池输出功率降低。这些缺点大大阻碍了燃料电池的大范围推广。因此，设计性质稳定且活性可以与铂相当甚至超过铂的催化剂，是燃料电池发展过程中最重要的任务。
[0004]杂原子掺杂碳催化剂因其具有较高的ORR催化活性、甲醇忍耐性好、成本低、寿命长和环境友好等特点，被认为有可能替代铂基催化剂成为新一代燃料电池催化剂。现主要研究有氮、磷、硫、硼掺杂碳材料作为氧还原反应催化剂。目前，杂原子掺杂碳催化剂存在制备成本高、工艺流程长、掺杂位点分散不均、性能与铂基催化剂差距大等问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足之处，本专利技术的目的在于克服现有氮磷共掺杂碳材料制备工艺流程复杂、氮与磷掺杂量低、掺杂位点分散不均等问题，提出一种具有制备流程简单、氮磷掺杂分布均匀、催化性能优异的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法及应用。
[0006]为此，本专利技术提供一种杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：先将氮源和磷源依次修饰在模板剂的表面，然后以沥青质含量不低于40wt％的重质油为碳源，通过模板法原位改性制备氮磷共掺杂多孔碳材料。
[0007]本专利技术所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其中优选的是，所述模板剂为纳米金属氧化物，进一步优选的，所述金属氧化物为氧化铁。纳米氧化铁具有催化石墨化作用。
[0008]本专利技术所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其中优选的是，所述氮源为含胺基的聚合物分子。
[0009]本专利技术所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其中优选的是，所述氮源选自聚苯胺、壳聚糖、聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺中的至少一种，进一步优选为聚乙烯亚胺。
[0010]本专利技术所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其中优选的是，所述磷源为含磷酸基团分子，进一步优选的，所述磷源选自植酸、磷酸、偏磷酸中的至少一种，更进一步优选为植酸。
[0011]本专利技术所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其中优选的是，所述碳源选自脱油沥青、减压渣油的中的至少一种，进一步优选为脱油沥青。
[0012]本专利技术所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其中优选的是，将氮源和磷源依次修饰在模板剂的表面包括如下步骤：
[0013](1)将模板剂和氮源在水中混合均匀，使氮源包覆在模板剂表面；然后加入磷源，进一步混合均匀，得到表面被氮源、磷源修饰的模板剂。
[0014]本专利技术所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其中优选的是，所述模板法原位改性制备氮磷共掺杂多孔碳材料包括如下步骤：
[0015](2)向碳源中加入溶剂，超声分散均匀；然后加入步骤(1)中的表面被氮源、磷源修饰的模板剂，将所得混合溶液中的溶剂蒸干，取出固体混合物；
[0016](3)将步骤(2)所得固体混合物在管式炉中氮气氛围下以5～10℃min
‑1升温，在700～1000℃下维持3h高温煅烧；
[0017](4)将步骤(3)煅烧后的混合物进行酸洗，脱除模板剂，水洗至中性，干燥即得氮磷共掺杂多孔碳材料。
[0018]本专利技术所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其中优选的是，所述氮磷共掺杂多孔碳材料的氮含量为2～5％，磷含量为1～2％，比表面积为500～800m2g
‑1。
[0019]为此，本专利技术还提供一种上述的杂原子掺杂多孔碳材料作为催化剂在电催化氧还原中的应用，尤其是用于燃料电池阴极电催化氧还原反应的催化剂。
[0020]本专利技术的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，具体的技术方案如下：
[0021](1)将模板剂和氮源混合，并加入去离子水，超声分散，使氮源包覆在模板剂的表面；然后加入磷源，搅拌反应，经过滤干燥后得到表面被氮源、磷源修饰的模板剂；
[0022](2)向碳源中加入甲苯溶剂，超声分散均匀；然后加入步骤(1)中的表面被氮源、磷源修饰的模板剂，将混合溶液中在60℃蒸干溶剂，取出固体混合物；
[0023](3)将步骤(2)的固体混合物在管式炉中氮气氛围下煅烧；
[0024](4)将步骤(3)煅烧后的混合物进行酸洗，脱除模板剂，水洗至中性，干燥即得氮磷共掺杂多孔碳材料。
[0025]本专利技术技术方案的优点：
[0026]本专利技术的制备方法以重质油为碳源，开发出一条制备氮磷共掺杂多孔碳材料的新方法。该方法对传统硬模板法进行改进，利用氮源对纳米氧化物模板剂表面进行包覆修饰，进而通过磷源与氮源之间的静电作用修饰磷源，在后续热处理过程中实现氮磷原位掺杂。
[0027]本专利技术的制备方法通过氮、磷源的预包覆修饰使其能够均匀分散，因而制备的碳材料中氮、磷能够对碳材料进行均匀掺杂。
[0028]此外，本专利技术选用纳米Fe2O3为模板剂，在热处理过程中具有一定催化石墨化作用，能够使氮磷元素更好的嵌入多孔碳材料的晶格。与传统后掺杂氮磷共掺杂多孔碳材料相比，该方法能够实现氮磷的原位均匀掺杂，制备流程简单，对电催化氧还原具有更高的催化效率，并且以脱油沥青、减压渣油等沥青质含量高的重质油为原料，成本低廉，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0029]图1a为本专利技术实施例1制备得到的氮磷共掺杂多孔碳材料的TEM图；
[0030]图1b为本专利技术实施例1制备得到的氮磷共掺杂多孔碳材料的电催化氧还原性能图；
[0031]图2a为本专利技术实施例2制备得到的氮磷共掺杂多孔碳材料的TEM图；
[0032]图2b为本专利技术实施例2制备得到的氮磷共掺杂多孔碳材料的电催化氧还原性能图；
[0033]图2c为实施例2制备得到的氮磷共掺杂多孔碳材料的氮元素的分布图；
[0034]图2d为实施例2制备得到的氮磷共掺杂多孔碳材料的磷元素的分布图；
[0035]图2e为实施例2制备得到的氮磷共掺杂多孔碳材料的碳元素的分布图；
[0036]图3a为本专利技术实施例3制备得到的氮磷共掺杂多孔碳材料的TEM图；
[0037]图3b为本专利技术实施例3制备得到的氮磷共掺杂多孔碳材料的电催化氧还原性能图；
[0038]图4a为本专利技术实施例4制备得到的氮磷共掺杂多孔碳材料的TEM；
[0039]图4b为本专利技术实施例4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：先将氮源和磷源依次修饰在模板剂的表面，然后以沥青质含量不低于40wt％的重质油为碳源，通过模板法原位改性制备氮磷共掺杂多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述模板剂为纳米金属氧化物，优选的，所述金属氧化物为氧化铁。3.根据权利要求1所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述氮源为含胺基的聚合物分子。4.根据权利要求3所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述氮源选自聚苯胺、壳聚糖、聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺中的至少一种。5.根据权利要求1所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述磷源为含磷酸基团分子，优选的，所述磷源选自植酸、磷酸、偏磷酸中的至少一种。6.根据权利要求1所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述碳源选自脱油沥青、减压渣油中的至少一种。7.根据权利要求1所述的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，将氮源和磷源依次修饰在模板剂的表...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵青山，王路海，吴明铂，张浩然，王晓波，刘银东，毕秦岭，许倩，于志敏，张若霖，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：