[发明专利]一种锂-空气电池正极用氮掺杂的多孔碳材料

权利要求书

1.一种锂-空气电池正极用氮掺杂的多孔碳材料，其特征在于：所述氮掺杂的多孔碳材料具有相互贯通的分级孔结构，N均匀地掺杂于C骨架中，其中N占碳材料原子比0.2-15%，分级孔包括传质孔和沉积孔，沉积孔占总孔孔体积的40~95%，传质孔占总孔孔体积的4~55%，其余为孔径小于5nm的孔，沉积孔孔径为5~90nm，传质孔孔径为0.1~6um，传质孔间相互间距为0.1~8um，传质孔通过沉积孔相互连通，碳材料总孔容为0.5~5cm³/g。

2.根据权利要求1所述的氮掺杂的多孔碳材料，其特征在于：

所述碳材料采用模板法按如下过程制备而成：

将碳前驱物和模板溶于水或有机溶剂中，水浴加热40~85℃并机械搅拌，待水分或有机溶剂完全蒸发后在60~80℃干燥；干燥后的产品进行碳化，碳化温度范围在500~1700℃，碳化时间控制在1~8h，得到模板/碳复合物，用酸或碱溶液去除模板，经过滤、干燥，即得氮掺杂的多孔碳材料；

所述碳前驱物包括以下中的一种或二种以上：

（1）低分子的糖类，包括蔗糖、淀粉、葡萄糖、麦芽糖、木糖、糠醇等中的一种或几种；

（2）小分子的有机物，包括甲醛、乙二胺、三甲胺，三聚氰胺、苯酚、乙烯、乙炔、丙烯、苯中的一种或几种；

（3）高分子聚合物，包括中间相沥青、聚氨酯、聚吡啶、聚乙二醇、聚吡咯、聚丙烯腈、聚苯胺、苯酚甲醛树脂、间苯二酚甲醛树脂、二/三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂、明胶及生物蛋白等中的一种或几种；

所述用乙二胺、三甲胺，三聚氰胺、聚氨酯、聚吡啶、聚吡咯、聚丙烯腈、聚苯胺、二/三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂、明胶及生物蛋白作为碳前驱物时，碳化气氛为N₂、Ar或NH₃；其他碳前驱体碳化气氛均为NH₃；进气气流量均控制在2~100ml/min。

3.根据权利要求2所述的氮掺杂的多孔碳材料，其特征在于：

所述模板为SiO₂溶胶、沸石、介孔Al₂O₃、介孔SiO₂、氧化镁、醋酸镁、葡萄糖酸镁、氧化铜、氧化锌、氧化亚铁、三氧化二铁、碳酸钙、碳酸镁、四氧化三铁、二氧化锡、二氧化硅、氧化铝、氧化锆、三氧化钼、三氧化二钒、氧化钛纳米粉体、金属镍氢氧化物、金属铁氢氧化物、金属镁的氢氧化物、二氧化硅微球、聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球中的一种或多种，其中模板粒径尺寸范围在5~8000nm；

所述模板与碳前驱物的质量百分比为600~10%；碳前驱物在水或有机溶剂中的浓度为0.05~0.4g/ml；有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮、N-N二甲基甲酰胺、N-N二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮中的一种或二种以上；去除模板使用的酸溶液为0.5~3M盐酸、硫酸、硝酸或氢氟酸，碱溶液为0.5~3M氢氧化钠溶液。

4.根据权利要求1所述的氮掺杂的多孔碳材料，其特征在于：

所述碳材料还可采用模板法结合活化法制备而成，制备过程包括在碳化过程中催化活化，或对模板法制得的碳材料进行后活化，二者中的一种或二种结合使用。

5.根据权利要求4所述的氮掺杂的多孔碳材料，其特征在于：

模板法结合活化法中在碳化过程中催化活化，按如下过程制备而成：将碳前驱物溶于水或有机溶剂中，然后添加金属盐或金属氢氧化物继续溶解分散，再加入模板溶解分散，水浴加热40~85℃并机械搅拌，待水分或有机溶剂完全蒸发后在60~80℃干燥；干燥后的产品进行碳化，碳化温度范围在500～1700℃，碳化时间控制在1~8h，得到模板/碳复合物，用酸或碱溶液去除模板和金属盐或金属氢氧化物，经过滤、干燥，即得多孔碳材料；

其中所述金属盐或金属氢氧化物为含Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Pt、Pd、Au、Ir、Ru、Nb、Y、Rh、Cr、Zr、Ce、Ti、Mo、Mn、Zn、W、Sn、La及V的一种或二种以上金属盐或金属氢氧化物；金属盐为金属的硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐、卤化物、二亚硝基二胺盐、乙酰丙酮化物、或大环络合物及卟啉化物、酞箐化物中的一种或二种以上。