[发明专利]一种基于纳米线的非金属吡啶氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种基于纳米线的非金属吡啶氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用，通过二氧化锰纳米线表面包裹聚多巴胺和吡啶二甲醛再进行碳化并酸洗而得。本发明采用的多巴胺和吡啶二甲醛中的吡啶和氮对提高材料的电催化性能起到关键作用，是一种绿色环保的氧还原催化剂，并且具有良好的循环稳定性，具有良好的市场应用前景。

技术领域

本发明属于氧还原催化剂领域，特别涉及一种基于纳米线的非金属吡啶氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，开发高效的阴极氧还原反应电催化剂是实现燃料电池和金属-空气电池商业化发展急需完成的目标。在过去的几十年中，人们在探索廉价高效的氧还原电催化剂(如氮掺杂的非金属及非铂电催化剂)领域做了广泛的研究。在氮掺杂的碳基氧还原催化剂中，已知的氮基活性位点主要分为四类，即吡啶类氮、吡咯类氮、石墨化氮和氧化类氮。尽管人们对这四种类型氮的活性位点做了大量的研究,但是它们在催化反应中起到的氧还原催化作用以及催化机理和活性位点本身结构的关系仍不够明确。早期的研究中有人认为吡啶类氮或者吡咯类氮是氧还原催化活性位点,也有人认为是石墨氮起作用.最近也有研究表明，吡啶氮和石墨氮都是氧还原催化活性位点，只是在氧还原反应中所起的催化能力不同。因此,很有必要认清这些问题。目前已有多项研究表明，活性的石墨化氮倾向于使氧还原反应经历两电子过程，从而生成过氧化氢为主要产物，而吡啶类氮的活性位点更倾向于使氧还原反应经过四电子过程，主产物是水。该结果有助于新型碳基氧还原催化剂的设计和分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于纳米线的非金属吡啶氮掺杂碳复合材料及其制备方法和应用，该复合材料具有较高的电催化活性和良好的循环稳定性，是燃料电池理想的氧还原催化剂。

本发明提供了一种基于纳米线的非金属吡啶氮掺杂碳复合材料，所述复合材料通过二氧化锰纳米线表面包裹聚多巴胺和吡啶二甲醛再进行碳化并酸洗而得。

本发明还提供了一种基于纳米线的非金属吡啶氮掺杂碳复合材料的制备方法，包括：

(1)在去离子水中加入高锰酸钾和氯化铵，通过水热反应得到二氧化锰纳米线；

(2)将得到的二氧化锰纳米线配制成悬浊液，调节pH值至8～9，加入盐酸多巴胺高温处理，处理过程中加入吡啶二甲醛，得到二氧化锰纳米线表面包裹聚多巴胺和吡啶二甲醛；最后进行碳化并酸洗，得到基于纳米线的非金属吡啶氮掺杂碳复合材料。

所述步骤(1)中的高锰酸钾和氯化铵的质量比为1:0.5～2。

所述步骤(1)中的水热反应温度为200～250℃。

所述步骤(2)中的二氧化锰纳米线与盐酸多巴胺的质量比为1:0.5～2；盐酸多巴胺与吡啶二甲醛的质量比为1-4:1。

所述步骤(2)中的二氧化锰纳米线悬浊液的浓度为2mg/mL。

所述步骤(2)中的高温处理温度为700～900℃，高温处理时间为1～3h。

所述步骤(2)中的碳化温度为80℃。

本发明还提供了一种基于纳米线的非金属吡啶氮掺杂碳复合材料的应用，所述复合材料作为氧还原催化剂应用于燃料电池。

本发明以廉价的高锰酸钾、氯化铵制备二氧化锰纳米线作为基体，通过简单的化学方法在空气中于其表面直接聚合多巴胺，在聚合过程中加入吡啶二甲醛，高温下可形成吡啶氮掺杂碳壳，经过高温处理和酸洗形成吡啶氮掺杂碳管(空管)的形貌，同时充分利用这种氮掺杂的元素组成，改变反应条件调控材料的形貌及电催化性能。

有益效果

(1)本发明所制备的基于纳米线的非金属吡啶氮掺杂碳复合材料具有较高的电催化活性和良好的循环稳定性，是燃料电池理想的氧还原催化剂；制备过程环保、易于操作，是一种绿色化学制备方法；