[发明专利]一种氮掺杂的孔状碳纳米片及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备领域。更具体地，涉及一种氮掺杂的孔状碳纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

金属-空气电池和燃料电池在能源转换方面具有很优越的应用前景。但内部的氧气还原反应速率过缓，需要贵金属Pt等作为催化剂，这使得这些电池的制备成本昂贵；同时贵金属颗粒对电池中的CO和甲醇等敏感，接触则急速失活；这些因素在很大程度上限制了它们的大规模生产和应用。目前人们发现非金属的碳纳米材料在电催化氧气还原反应中具有很好的活性，同时它们对CO和甲醇不敏感。再者，它们来源广泛且价格低廉，这使得它们在电催化氧气还原方面有取代贵金属Pt的趋势。但是对于氧气还原反应中的起始电压和半波电位来说，这些非金属碳纳米材料仍显不足。为提高其活性，引入氮掺杂和孔结构成为一种有效途径。其中氮掺杂作为活性位点，孔结构作为物质传输通道。因此在制备非金属碳纳米材料的过程中需要含氮前驱物和模板的共同参与，这会使得氮掺杂含量较低，同时模板的制备和去除也使得合成过程繁琐或涉及有毒试剂。

因此，通过设计简单便捷的方法来制备具有具有高催化活性的非金属碳纳米催化剂在实际应用中具有重要意义。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种氮掺杂的孔状碳纳米片，该碳纳米片具有丰富的孔结构，富含微孔和介孔，且氮掺杂量可达原子百分含量6-11％以上，同时，该碳纳米片的孔结构、氮掺杂含量及纳米片厚度均可控。

本发明的第二个目的在于提供一种氮掺杂的孔状碳纳米片的制备方法，该方法简单易得，制备过程中所用的模板和氮源均为g-C₃N₄，且g-C₃N₄可在高温石墨化的过程中完全分解，不需要额外的步骤或试剂去除模板。

本发明的第三个目的在于提供一种氮掺杂的孔状碳纳米片的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种氮掺杂的孔状碳纳米片，所述碳纳米片是以g-C₃N₄为模板和氮源所得；所述碳纳米片富含微孔和介孔。

优选地，所述碳纳米片的厚度为0.8-10nm。

优选地，所述碳纳米片的比表面积为300-1100m²g^-1。

优选地，所述碳纳米片的氮掺杂量为原子百分含量6-11％以上。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

一种氮掺杂的孔状碳纳米片的制备方法，包括如下步骤：

1)制备具有孔状结构的g-C₃N₄；

2)将步骤1)所得g-C₃N₄加入葡萄糖水溶液中，分散后得悬浮液，将悬浮液进行水热反应，得到包裹有碳化物的g-C₃N₄；

3)将步骤2)所得包裹有碳化物的g-C₃N₄进行煅烧，得到氮掺杂的孔状碳纳米片。

优选地，步骤1)中，所述制备是指利用热聚合的方式将碳氮化合物聚合得到孔状结构的聚合物g-C₃N₄；更优选地所述碳氮化合物选自尿素。

进一步地，所述热聚合的方法为：将尿素置于陶瓷坩埚中，在马弗炉中于500-600℃下保持4h，得淡黄色固体即为具有孔状结构的g-C₃N₄。

优选地，步骤2)中，所述水热反应在密闭水热反应釜中进行，反应温度为100-200℃。

优选地，步骤2)中，所述葡萄糖水溶液中葡萄糖的浓度为0.25-0.3M；所述悬浮液中，g-C₃N₄的加入量为0.0075-0.025g/mL。

优选地，步骤3)中，所述煅烧在惰性气氛中进行；进一步地，所述煅烧在氮气气氛中进行；所述煅烧的煅烧温度为600-1000℃；进一步地，所述煅烧温度为900℃。

本发明的制备方法中，步骤1)中g-C₃N₄的孔状结构是在热聚合的过程中生成，且孔状结构遍及整个g-C₃N₄。且通过对制备过程中各步骤及水热反应温度等条件的限定，使得碳纳米片的孔结构和氮掺杂含量均可控。

为达到上述第三个目的，本发明采用下述技术方案：