气体模板剂法制备多孔碳材料制造技术

本发明专利技术所涉及一种杂原子原位掺杂碳基催化剂的制备方法及其在燃料电池中的应用，同时也开发了一种利用气体模板制备高效多孔结构催化剂的方法。通常模板法制备多孔碳材料时难以避免去除模板的复杂程序。本发明专利技术利用气体模板法，可以获得模板法的多孔结构，而且由于本方法中模板为气体，有效地省去了去除模板的繁琐步骤。本发明专利技术所述制备方法工艺简单，适于催化剂的规模生产，所述催化剂在碱性条件下显示出较高的氧还原催化活性，依次包括如下步骤：S1制备前驱体离子液体；S2将离子液体与气体模板剂混合后，惰性气体保护下煅烧制备多孔碳材料；S3碳材料的氧还原催化测试。本发明专利技术的优点在于简单而有效的合成了多孔道的碳材料，所制备的碳材料密度小，表面积大，催化性能较高，且无需后续的模板处理过程。无需后续的模板处理过程。无需后续的模板处理过程。

【技术实现步骤摘要】
气体模板剂法制备多孔碳材料


[0001]本申请涉及新能源
，特别是一种多孔非金属氧还原催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]能源的快速消耗正在导致日益严重的能源和环境问题，为解决这些问题，人类必须开发高效清洁的新能源。由于燃料电池、金属空气电池等新型能源由于具备上述特征，正在受到广泛关注。在燃料电池和金属空气电池中，阴极的氧还原反应（ORR）是一个重要反应，但是由于该反应动力学缓慢，需要适当催化剂参与方能保证电池的正常工作。目前比较成熟的催化剂是为基于贵金属的Pt/C催化剂。但贵金属价格昂贵，导致燃料电池等新能源价格过高，难以大规模推广，因此开发价格低廉且易于获得的非贵金属催化剂成为新能源领域的一项重要任务。近年来，由于廉价易得，杂原子掺杂的碳材料被认为是一类比较有潜力的无金属非贵金属催化剂。不过目前无金属催化剂性能与商业化Pt/C电极还有一定距离，因此有必要研究提升非金属催化剂的性能。
[0003]与其他催化剂相同，ORR催化剂的性能收催化剂成分和结构的影响，在结构相同的情况下，尽可能扩展催化剂比表面积是提升其催化剂性能的有效手段，因此已有不少研究通过加入模板剂提升催化剂表面积和性能 （Adv. Mater. Interfaces 2018, 1801149）。虽然加入模板可以有效提升催化剂的比表面积，但是无法避免复杂的模板去除程序。
[0004]本专利技术旨在提供一种碳材料的制备方法，利用在煅烧过程中可以气化的模板（称为气体模板剂），这样既利用了模板剂造孔的功能，获得较大比表面积的碳材料，从而提升催化剂的性能，又避免了繁杂的模板去除程序。实验标明，加入气体模板剂后，催化剂的ORR催化剂性能获得显著提升。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，提供一种多孔掺杂碳材料的简易制备方法，通过煅烧含有气体模板剂的富含杂元素的离子液体，简单有效地制备了孔道结构丰富的碳材料。利用杂元素和碳元素电负性不同造成的吸附方式改变从而呈现催化性能的特性，作为氧气还原反应的催化剂，同时由于模板剂气化，避免了负载的模板清除工艺。
[0006]本申请实施例公开了一种多孔掺杂碳材料的制备方法，包括如下步骤：S1 离子液体前驱体：将合成离子液体的反应物A缓慢滴加到反应物B，冰浴条件下搅拌，滴加完毕后升温到50℃以上，再持续搅拌2小时；获得粘稠液体，作为催化剂前驱体。
[0007]S2制备催化剂粉末：将前驱体离子液体与气体模板剂混合后倒入磁舟后，置于管式炉中，氮气保护下在600
‑
1000℃之间，煅烧碳化1hr. 保温1 hr后，管式炉自然降温到室温煅烧过程中，气体模板剂分解产生气体，造孔的同时离开样品，获得蓬松的黑色碳材料，并且无需去除模板剂；S3催化剂性能表征：将上述碳粉末与Nafion溶液、乙醇按照一定比例混合后，超声分散制备得到催化剂浆液。将浆液滴加到玻碳电极上，自然状态下干燥2小时后，采用线性
伏安扫描检测其氮气还原催化能力。
[0008]优选的，所述离子液体乙烯基咪唑、甲基咪唑，丙烯基咪唑中的一种。
[0009]优选的，加入气体模板剂。
[0010]优选的，所述步骤S1中，离子液体中的阴离子主要为难以分解的酸根如磷酸、磷钨酸等的一种或多种。
[0011]优选的，所述步骤S2中，煅烧温度为800
‑
1200 ℃中的某一最佳温度。
[0012]优选的，所述碳材料为杂原子掺入的碳材料。
[0013]本专利技术的优点在于通过煅烧含有杂元素的离子液体，可以简易的获得一种或多种元素掺杂的碳催化材料，且避免了模板剂清除的复杂工序。由于掺杂元素的存在，碳原子的电子云发生畸变，从而具有吸附富含外层电子的氮气，并发生还原反应。同时，由于模板剂的分解气化，可以对碳材料造孔，这些孔道一方面利于活性物质在催化剂内部的输运，另一方面增加了催化剂的表面积，有效暴露催化剂的活性位，有利于催化性能的提高。电化学测试表明所制样品催化性能稳定，活性与含金属的催化剂相当。本专利技术的制备过程简单，易于实施和规模化。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1所示为本专利技术实施例1中得到的多孔氮磷共掺碳加入气体模板剂前后的ORR LSV曲线。
实施方式
[0016]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行详细的描述，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而非全部。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0017]实施例1，制备多孔氮硫共掺多孔碳S1制备前驱体离子液体：按[HVim]H2PO4化学式配比，将称量好的乙烯基咪唑（AR，99.9%）缓慢加入到处于冰水浴的磷酸（稀释到85%）中，并用电磁搅拌器不断搅拌，滴加完毕后系统升温到50℃继续反应两小时，使其充分反应；S2 制备多孔碳粉末：将上述前驱体粉转移到磁舟中，按照质量比1:1加入硝酸铵，将磁舟置于管式炉中以5℃/分的速度升温置800℃，并在此温度下保温一小时。待炉温冷却到室温后，可以得到黑色蓬松的碳材料，将该材料研磨为细粉，可以用作催化剂。
[0018]S3 催化性能表征，将上述粉末2.5 mg加入到由450 ul乙醇和50 ul Nafion溶液中，混合均匀搅拌超声后，得到黑色催化剂浆料。取 10 ul催化剂浆料滴加到玻碳电极，以Hg/HgO为参比电极，Pt丝为对电极，0.1M KOH为电解液，在Ar和N2分别为保护气的在1600 rpm转速下测LSV曲线。
[0019]参见图1所示的LSV，可见当离子液体加入硝酸铵后，还原反应的起始电位和半波电位均获得了明显提升，说明加入气体模板剂后，对催化剂的性能提高有明显帮助。
[0020]实施例2，制备担载钨的多孔氮磷共掺多孔碳S1制备前驱体离子液体：按[HVim] H2[P(W3O
10
)4] · xH2O化学式配比，将称量好的乙烯基咪S1制备前驱体离子液体：将称量好的乙烯基咪唑（AR，99.9%）缓慢加入H2[P(W3O
10
)4] · xH2O中，并用电磁搅拌器不断搅拌，滴加完毕后系统升温到50℃继续反应两小时，使其充分反应；S2 制备多孔碳粉末：将上述前驱体粉转移到磁舟中，按照质量比1:1加入硝酸铵，将磁舟置于管式炉中以5℃/分的速度升温置800℃，并在此温度下保温一小时。待炉温冷却到室温后，可以得到黑色蓬松的碳材料，将该材料研磨为细粉，可以用作催化剂。
[0021]S3 催化性能表征，将上述粉末2.5 mg加入到由450 ul乙醇和50 ul Nafion溶液中，混合均匀搅拌超声后，得到黑色本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用作氧还原催化剂的多孔碳材料的简易制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1 离子液体前驱体：将合成离子液体的反应物A缓慢滴加到反应物B，冰浴条件下搅拌，滴加完毕后升温到50℃以上，再持续搅拌2小时；获得粘稠液体，作为催化剂前驱体；S2制备催化剂粉末：将前驱体离子液体与气体模板剂混合后倒入磁舟后，置于管式炉中，氮气保护下在600
‑
1000℃之间，煅烧碳化1hr. 保温1 hr后，管式炉自然降温到室温煅烧过程中，气体模板剂分解产生气体，造孔的同时离开样品，获得蓬松的黑色碳材料，并且无需去除模板剂；S3催化剂性能表征：将上述碳粉末与Nafion溶液、乙醇按照一定比例混合后，超声分散制备得到催化剂浆液；将浆液滴加到玻碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：高建，
申请(专利权)人：海安南京大学高新技术研究院，
类型：发明
国别省市：