[发明专利]一种碳纳米颗粒修饰的氮掺杂3D多孔碳材料及其制备与应用

说明书

本发明属于电池催化剂的技术领域，公开了一种碳纳米颗粒修饰的氮掺杂3D多孔碳材料及其制备与应用。方法：1)在水热反应釜中，将桉木在水中进行水热碳化处理，获得水热碳化预处理桉木；水热碳化处理的温度为150～200℃；2)将水热碳化预处理桉木在氨气的氛围中进行碳化处理，获得碳纳米颗粒修饰的氮掺杂3D多孔碳材料；所述碳化处理的温度为900～1100℃。本发明的方法简单、成本低，所制备的多孔碳材料具有优异的催化活性。所述多孔碳材料用于氧还原催化剂，催化燃料电池中的阴极氧还原反应。

技术领域

本发明属于电池催化剂技术领域，具体涉及一种水热预处理桉木制备碳纳米颗粒修饰的氮掺杂3D多孔碳材料及其方法。所述碳材料作为催化剂，特别是氧还原催化剂，电催化燃料电池中的阴极氧还原反应。

背景技术

近年来，环境污染和化石燃料短缺已经严重制约世界经济的发展和生态环境的稳定。绿色能源的发展在解决这些问题中将会发挥关键作用。以生物质等可再生化合物为原料制备化学器件用来捕获及储存这些能源是该过程中至关重要的一步。碳材料由于具有表面积大、质量轻、导电性好和热/化学稳定性高等优点，被认为是超级电容器和可再充电电池等化学器件最重要的电极材料。

相对于其他结构的碳材料，3D碳纳米材料具有相互连接的结构，不仅可以缩短离子在碳材料的运输距离，而且还提供了一个连续快速电子传输的途径。另外，结构互连性保证了3D碳纳米材料具有更高的电导率和更好的机械稳定性。因此，不同形式的3D碳纳米材料(如碳纳米管网络、石墨烯凝胶、石墨烯泡沫和3D CNF等)的设计制造及应用被人们广泛研究。然而，这些3D碳纳米材料大多采用自下而上的方法从小分子化合物制备而得，其过程复杂且耗时较长。因此，开发一种简便易得、具有较高机械强度的3D分级多孔结构的碳材料在能量转换应用中具有重要意义。

本发明利用水热碳化预处理桉木，然后在氨气中碳化得到了具有碳纳米颗粒修饰的氮掺杂的3D分级孔隙结构和较高强度的3D碳纳米材料，用于电催化氧还原反应中具有较高的催化活性。整个材料制备过程中充分使用了可再生的资源，体现了绿色化学的原则。

发明内容

针对传统多孔碳制备方法中原材料价格高昂，过程复杂，使用强酸强碱刻蚀等问题，本发明提供了一种碳纳米颗粒修饰的氮掺杂3D多孔碳材料及其制备方法。本发明的方法简单、成本低，所制备的碳材料具有较高的强度和催化活性，符合绿色、可持续发展的理念，在催化领域具有重要的应用前景。

本发明的另一目的在于提供上述碳纳米颗粒修饰的氮掺杂3D多孔碳材料在氧还原催化剂中的应用，特别是燃料电池中应用，电催化燃料电池中的阴极氧还原反应。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种碳纳米颗粒修饰的氮掺杂3D多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在水热反应釜中，将桉木在水中进行水热碳化处理，获得水热碳化预处理桉木；水热碳化处理的温度为150～200℃；

(2)将水热碳化预处理桉木在氨气的氛围中进行碳化处理，获得碳纳米颗粒修饰的氮掺杂3D多孔碳材料；所述碳化处理的温度为900～1100℃。

步骤(1)中所述水热碳化处理的时间为8～24h；所述桉木与水的质量体积比为(1～5)g：50mL。

步骤(2)中所述碳化处理的时间为0.5～2h。

步骤(2)中所述碳化处理的升温速率为1～10℃/min。

步骤(1)中水热碳化处理完成后，产物进行过滤洗涤。

步骤(2)中碳化处理后，产物在氨气氛围中自然冷却。

所述碳纳米颗粒修饰的氮掺杂3D多孔碳材料通过上述方法制备得到。