[发明专利]一种多孔碳材料及其制备方法和在锌空电池中的应用

说明书

本发明公开一种杂原子掺杂多孔碳材料及其制备方法和在锌空电池中的应用。将生物质材料在碱性溶液中通过自组装形成三维网络结构自组装体，所述三维网络结构自组装体经过冷冻干燥后，置于保护气氛中，进行碳化，即得杂原子掺杂多孔碳材料。杂原子掺杂多孔碳材料催化活性高，稳定性好，可以替代现有的Pt/C使用，将其作为氧还原催化剂应用于锌空电池，可以获得放电电压稳定、容量大的锌空电池。且杂原子掺杂多孔碳材料的制备过程简单，成本低，有望应用于工业生产中。

技术领域

本发明涉及一种多孔碳材料及其制备方法和应用，具体涉及一种由生物质材料在碱性溶液中通过自组装形成三维网络结构自组装体，再经过冷冻干燥和高温碳化制备杂原子掺杂多孔碳材料的方法，还涉及杂原子掺杂多孔碳材料作为氧还原催化剂在锌空电池正极材料中的应用，属于电催化储能材料领域。

背景技术

随着全球能源需求不断增加，对传统的化石燃料(如煤、石油、天然气)的大量利用，不仅在环境气候方面造成难以逆转的变化，更是这些一次能源的过度使用，造成严重的能源危机。面对日渐枯竭的能源，一方面是节约能源和开发新能源，同时要提高能源的使用效率，但是目前的一次能源的使用效率只有40％左右。燃料电池作为一种新型的能源转换装置，可将能源的利用率提高到70％左右。氧还原催化剂是燃料电池及金属空气的关键部件(电池的正极材料)，其决定了燃料电池和金属锌空电池的性能。近年来，燃料电池的正极材料是能源材料的研究热点。铂基材料目前已商业化应用到燃料电池上，但因其价格昂贵和资源稀缺限制了其应用。目前，各种非贵金属，包括Fe、Co等过渡金属及其化合物与碳的复合材料基催化剂受到了广泛的重视，其中一些材料其催化效率可与Pt基催化剂性能媲美，特别是在催化剂的稳定性和抗甲醇、CO等毒性方面，甚至优于Pt基催化剂。但是，在酸性条件下的稳定性较差等问题，一直未能得到有效的解决。

非金属掺杂的碳材料作为ORR催化剂，应用于燃料电池的正极材料，具有高度的稳定性和良好的导电性能近年来受到人们的普遍关注[Gong K,Du F,Xia Z,etal.Nitrogen-doped carbon nanotube arrays with high electrocatalytic activityfor oxygen reduction[J].Science,2009,323(5915):760-764]。目前人们合成多种非金属碳材料应用于氧还原催化剂，主要包括氮、磷、硫、硼等原子掺杂及其双元素掺杂、多元素掺杂的碳材料[Zhang J,Qu L,Shi G,et al.N,P-Codoped Carbon Networks asEfficient Metal-free Bifunctional Catalysts for Oxygen Reduction and HydrogenEvolution Reactions[J].Angew Chem Int Ed Engl,2016,55(6):2230]。目前传统的制备方法是将碳源前驱体和含杂原子的前驱体经过高温碳化后得到杂原子掺杂的碳材料。目前常用的氮源材料有尿素、三聚氰胺、氨气等在高温下进行掺杂，这种掺杂形式需要额外的氮源。而现有的多孔材料的制备方法主要是通过模板法及其后处理，工艺过程复杂，成本高。

发明内容

针对现有的燃料电池及金属空气电池正极材料的催化活性低及材料来源有限，制备成本高等缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种与Pt/C电化学活性相当，而稳定性及抗甲醇中毒等性能优于Pt/C的杂原子掺杂多孔碳材料。

本发明的第二个目的是在于提供一种原料成本低、工艺简单的制备杂原子掺杂多孔碳材料的方法；该方法相对现有的制备方法，无需采用模板剂或造孔剂，后处理简单，简化了多孔碳材料制备的工艺步骤。

本发明的第三个目的是在于提供一种杂原子掺杂多孔碳材料在金属空气电池中的应用，多孔碳材料作为锌空气电池电池正极材料，表现出较高的催化活性，制备的锌空气电池具有放电电压稳定，容量大等优点。