[发明专利]一种制备高比表面积氮磷共掺碳材料的方法

说明书

本发明所涉及一种具有多孔结构和高比表面积的氮磷共掺碳材料的制备方法。已有的制备氮磷共掺碳材料的方法遇到一些问题，不采用模板的话比表面积较低，而采用模板则有很多难以避免的繁琐的去模板步骤，而且还需要用到很多强腐蚀性的去模板剂，而且去模板剂还会导致产物的损失及催化活性的降低甚至丧失。本发明在长期的相关研究基础上，提出以聚离子液体为前驱体，可气化添加剂为造孔剂来便捷制备具有多孔结构和高比表面的氮磷共掺碳材料。测试表明，碳材料的比表面积获得大幅提高，从一般的无模板法制备的～10m²g^‑1提高至～1300m²g^‑1，而其催化性能也获得显著提高。

1.技术领域

本发明涉及制备高比表面积氮磷共掺碳材料的方法，特别涉及一种造孔剂的选择方法，所制备的碳材料可以作为燃料电池阴极非金属催化剂。

2.背景技术

近年来，化石能源的大量消耗正在造成日益严重的能源环境问题(Li等，Pomegranate-Inspired Design of Highly Active and Durable BifunctionalElectrocatalysts for Rechargeable Metal-Air Batteries，Angewandte Chemie-International Edition，55(16)4977-4982)，寻求高效的能量存储和转化装置成为全球范围内关注的热点。燃料电池作为一种清洁无污染和较高能量密度的发电装置，是一种高效环保型的绿色能源。然而，电催化氧还原反应(ORR)是其中最重要的电极反应之一，由于其反应动力学缓慢，因此必须有催化剂参与。目前成熟的氧还原催化剂最常用的是贵金属及其合金，例如铂，钌等。但Pt等贵金属成本高、在地壳中储量稀缺等问题限制了其规模化应用。因此，研究廉价高效的催化剂，加速其商业化已成为研究的热点。

在这些研究的催化剂中，掺杂碳材料成本较低，而且具有相对较高的ORR催化性能，近年来引起了广泛关注，被认为是一类最具潜力的催化剂。但如果能进一步提高其催化性能，则更有希望接近使用。目前可以通过两种途径提高其催化性能，一是采用多原子共掺的方法，我们利用氮磷共掺的碳材料，实现了性能的提高(Gao等，Polymerizable ionicliquid as a precursor for N，P co-doped carbon toward the oxygen reductionreaction，Catalysis Science & Technology，8(4)，1142-1150)。但是该材料的比表面积较低，还不到10m²g^-1。因此，如果能改变该材料的微观结构，提高其比表面积，则有望可以进一步提高其催化性能。

本专利目的在于基于上述研究，提出一种制备具有多孔结构和较高比面积的碳材料的方法，并利用聚离子液体前驱体对碳材料进行原位掺杂，获得具有高比表面积且氮磷共掺的碳材料。在增加活性位点的同时，还可以有效暴露这些活性位点，进而有效提高碳材料的催化活性。实验结果也证实了上述设想，所得碳材料的结构和比表面积都获得了改进，而且催化活性也获得提高。

3发明内容

本发明的目的在于提出一种制备高比表面积氮磷共掺碳材料的方法，该碳材料具有较好比表面积和ORR催化活性。

本发明通过以下技术方案实现。

一种具有多孔结构的碳基非贵金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.含氮磷前驱体的合成；

步骤2.造孔剂的选择和加入；

步骤3.将上述前驱体在惰性气体保护下热解，获得碳化产物；

步骤4.将上述产物研磨，获得样品并测试。