[发明专利]一种铟掺杂的纳米多孔碳材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种铟掺杂的纳米多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：将可溶性铟盐、均苯三甲酸、水和溶剂混合搅拌，在搅拌好的溶液中加入有序介孔碳材料，超声混合均匀；将上述混合溶液进行水热反应，反应完全后自然冷却至室温；将上述得到的固体抽滤、洗涤、干燥，得到复合材料；将得到的复合材料在惰性气体的氛围下，高温退火，得到所述铟掺杂的纳米多孔碳材料。本发明的铟掺杂的纳米多孔碳材料，采用铟基有机骨架化合物CPM‑5作为前驱体，该化合物具有笼状结构、大比表面积和大的孔体积，在惰性气体下高温焙烧，一步法合成孔隙率高的铟掺杂的纳米多孔碳材料，合成方法简单、成本低，具有大规模商业化的前景。

技术领域

本发明属于新材料制备和电化学催化领域，具体地说，涉及一种铟掺杂的纳米多孔碳材料的制备方法及其应用。

背景技术

随着煤、石油、天然气等不可再生能源的逐渐枯竭及全球气候变化，可持续发展能源的开发与应用成为未来人类社会发展所面临的重要问题之一。燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池具有环境友好、快速启动、无电解液流失、寿命长、功率密度和能量密度高等优点，在电动汽车动力电源、移动电源、微型电源及小型发电装置等方面显示出广阔的应用前景。燃料电池的阴极氧还原反应是燃料电池电催化反应的速度控制步骤，因此氧还原催化剂成为燃料电池电催化研究的热点之一。

当下，大多数燃料电池的阴极催化剂主要是铂基催化剂，但其资源少，价格昂贵，成本高，此外长期使用易受电解液影响催化活性下降，耐甲醇能力弱，在甲醇氧化过程中易中毒，使用其他非贵金属催化剂来代替铂基催化剂成为燃料电池研究领域的重点。因此，研究开发出非贵金属的高效、稳定的阴极氧还原电催化剂是非常必要的。

金属-有机骨架化合物(metal-organic frameworks，MOFs)是由多齿有机配体与金属离子通过自组装过程形成的具有周期性网络结构的一类新材料。MOFs材料具有可调控的孔径尺寸及可修饰的孔道表面、超低密度、超高比表面积等，这些独特的优势使得这类新型多孔材料在氢气储存、CO₂捕获、化学分离、催化作用、药物传输等领域有着广泛的应用。以MOFs为前驱体合成先进功能材料成为新功能材料研究领域尤其是电催化剂领域的新热点。其中，铟基有机骨架化合物CPM-5是一种水热稳定性好且具有较高比表面积的MOFs材料，并且具有规则的笼状孔道结构。经高温热解后，其中心原子金属铟可以改变碳原子骨架的表面电子价态，提高其对氧气的吸附能力，从而加快氧还原反应速率。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种铟掺杂的纳米多孔碳材料的制备方法，该铟掺杂的纳米多孔碳材料含有大量的催化活性位点，在电催化氧还原方面的性能表现出色。

本发明的另一个目的是提供一种所述铟掺杂的纳米多孔碳材料的应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的第一个方面提供了一种铟掺杂的纳米多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

将可溶性铟盐、均苯三甲酸、水和溶剂混合搅拌，在搅拌好的溶液中加入有序介孔碳材料，超声混合均匀；将上述混合溶液进行水热反应，反应完全后自然冷却至室温；将上述得到的固体抽滤、洗涤、干燥，得到复合材料；将得到的复合材料在惰性气体的氛围下，高温退火，得到所述铟掺杂的纳米多孔碳材料。

所述可溶性铟盐为硝酸铟。

所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。

所述有序介孔碳材料为CMK-3、CMK-8中的至少一种。

所述可溶性铟盐、均苯三甲酸、水和溶剂的质量比为1:(0.5～1):(4～8):(15～25)，优选为1:0.85:5:20。

所述可溶性铟盐与有序介孔碳材料的质量比为1:m，0.01≤m≤0.2。