[发明专利]一种三维连续碳骨架负载的金属-氮-碳纳米片的制备方法及应用

说明书

本发明提供一种具有分级孔结构的三维连续碳骨架负载的金属‑氮‑碳纳米片的制备方法，以三聚氰胺泡沫为模板，在含有金属盐的溶液中将苯胺原位聚合为片层状聚苯胺，并分立于三聚氰胺泡沫表面，再将其进行高温碳化，得到具有分级结构的多孔金属‑氮‑碳复合材料。与现有技术相比，三聚氰胺泡沫和其表面的聚苯胺纳米片形成三维立体结构，碳化后形成的金属‑氮‑碳复合材料形成三维立体多级孔结构，该结构有助于加速反应中物质传输速率，使暴露更多活性位，提高了活性位利用率。本发明所述三维连续碳骨架负载的金属‑氮‑碳纳米片材料的制备方法，具有绿色环保、简便、易于实施、生产成本低以及制备过程中所得三维连续碳骨架负载的金属‑氮‑碳纳米片形貌和尺寸均匀性好等优点，将其用作燃料电池阴极氧还原反应电催化剂时，催化剂的催化活性与贵金属铂相当。

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，具体的说涉及一种三维连续碳骨架负载的金属-氮-碳纳米片催化剂的制备方法。

背景技术

燃料电池阴极氧还原反应动力学过程慢，目前广泛使用铂基催化剂，然而铂资源有限，价格昂贵，开发铂替代催化剂势在必行。金属-氮掺杂碳材料对燃料电池阴极氧还原反应具有较好的催化活性。传统的制备方法主要是将含碳和氮的有机物与过渡金属盐等前驱体混合，之后在高温下进行碳化，得到含有金属和氮掺杂的碳材料。采用传统方法制备的金属-氮掺杂碳催化剂中含有大量微孔，易导致反应中传质效率低等问题。为解决这一问题，报导中主要通过加入多孔的模板，如二氧化硅、金属有机框架(MOF)等制备分级多孔碳材料。然而，该方法涉及的模板剂价格昂贵、去除模板耗时耗力，并且去模板过程非环境友好。三聚氰胺泡沫具有三维网络结构，含有丰富的碳和氮元素，且价格低廉，碳化后可保持三维网络结构。文献(Angew.Chem.2013,125,1060-1064)借助三聚氰胺泡沫的三维大孔结构，并适当添加含有微孔的活性炭，构造出具有多级孔结构的载体，进一步将其与铁盐混合后，经碳化得到铁和氮掺杂的碳材料，该材料对氧还原反应具有良好的催化活性。该方法中碳化后的三聚氰胺泡沫与活性炭是物理混合，界面电阻大，形成的孔结构和活性位分布也不均匀。亟需发明具有三维连续均匀孔道结构、比表面积大的金属和氮掺杂碳材料的制备方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种分级结构三维连续碳骨架负载的金属-氮-碳纳米片材料的制备方法。该方法采用三聚氰胺泡沫作为骨架，在其表面原位聚合苯胺得到三维聚苯胺纳米片，并与金属盐混合后进行碳化处理，得到一种具有三维连续碳骨架负载的金属-氮掺杂的碳纳米片材料。该材料连续的碳骨架为电子传输提供了快速通道，多孔结构为反应物和产物提供了良好的传质通道，并有利于活性位点与反应物充分接触，提高对反应的催化活性。该制备方法能够提高材料孔结构的丰度，增大材料的比表面积，且制备工艺简单，产品均匀性好，易于批量生产。

一方面，本发明提供了一种具有分级结构的三维连续碳骨架负载的金属-氮-碳纳米片，它是通过在含有金属盐的溶液中将苯胺原位聚合为片层状聚苯胺，并分立于三聚氰胺泡沫表面，再在惰性气氛下将其进行高温碳化，制备具有分级结构的多孔金属-氮-碳复合材料。

另一方面，本发明还提供了一种具有分级结构的三维连续碳骨架负载的金属-氮-碳纳米片催化剂的制备方法，其特征在于，包括：

(1)在含有金属盐的溶液中在三聚氰胺泡沫表面将苯胺原位聚合为片层状聚苯胺；

(2)再在惰性气氛下将其进行高温碳化，得到具有分级结构的多孔金属-氮-碳复合材料。

再一方面，本发明还提供了一种具有分级结构的多孔金属-氮-碳复合材料可用作燃料电池阴极氧还原反应催化剂。

本发明所述分级多孔碳材料的制备方法具有绿色环保、简便、易于实施、生产成本低；以及制备过程中所得三维连续碳骨架负载的金属-氮-碳纳米片形貌和尺寸均匀性好等优点，将其用作氧还原电催化剂时，催化剂的氧还原催化活性显著提高。

附图说明