[发明专利]一种氮掺杂多孔碳的制备方法及其在燃料电池阴极中的催化应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂多孔碳的制备方法及其在燃料电池阴极中的催化应用，该氮掺杂多孔碳材料以无烟煤为原料，将预处理过后的无烟煤先经过氢氧化钾高温碳化活化，经酸洗、烘干制得煤基活性炭，然后将制得的煤基活性炭与一定比例的三聚氰胺经过机械球磨混合均匀，再次高温碳化，经酸洗、烘干制得最终的氮掺杂多孔碳材料；该氮掺杂多孔碳材料可用于制备燃料电池的阴极氧还原催化剂。本发明利用无烟煤为原料，制备步骤简单，成本低；制备的材料具有大的比表面积及合适的含氮量，作为氧还原反应电催化剂显示出良好的电化学性能，在燃料电池中具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于无机纳米材料及电化学领域，涉及一种氮掺杂多孔碳材料，具体涉及一种氮掺杂多孔碳的制备方法及其在燃料电池阴极中的催化应用。

背景技术

随着化石能源的过度消耗，在世界范围内出现了严重的能源短缺与环境问题，开发清洁、绿色以及可持续能源迫在眉睫。风能、潮汐能、太阳能等新能源的有效转化以供人类生存与发展使用显得尤为重要。

氧还原反应(ORR)作为一种重要的燃料电池和可充电金属-空气电池中将化学能转化为电能的电极反应引起了研究者们的广泛关注。然而，ORR反应动力学差，这严重制约了燃料电池和金属空气电池的能量转换效率。以往的工作表明ORR的过程有两个主要的可能途径，具有不同的标准电位。一是高效的一步四电子(4e^-)过程，氧气分子获得4e^-来产生水(碱性溶液：2H₂O+O₂+4e^-→4OH^-；酸性溶液：4H⁺+O₂+4e^-→2H₂O)，另一个是催化效率较低的二电子(2e^-)过程，氧分子获得2e^-产生H₂O₂(碱性溶液：O₂+H₂O+2e^-→HO₂^-+OH^-,HO₂^-+H₂O+2e^-→3OH^-；酸性溶液：O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂；H₂O₂+2H⁺+2e^-→2H₂O)。与二电子过程相比，直接的四电子过程具有更高的活性，是高效电催化剂的必要条件。到目前为止，铂金属和铂基材料仍然是最有效的ORR电催化剂，因为它们具有高效的催化性能。然而，由于铂的稀缺性，高成本，不稳定性等缺点，研究人员在开发取代铂基催化剂的非贵金属电催化剂方面做出了巨大的努力。近几十年来，在这些电催化剂中，碳基催化剂，如无金属杂原子掺杂的碳基催化剂由于其成本较低，催化性能优良，因而取得了很大的发展。杂原子掺杂可以通过改变杂原子附近的碳原子的电荷分布，进而改变反应物的化学吸附，调节电催化剂的化学活性，以此改善ORR性能。此外，多孔结构也被认为是ORR碳基电催化剂中较合适的结构，多孔材料的大比表面积与丰富的孔结构可以为ORR提供了一个优良的传质通道；多孔碳材料具有大量的边缘位点和缺陷点，为ORR提供了丰富的活性中心。因此，多孔碳材料成为了取代铂基电催化剂的极有前景的材料。

煤炭在世界上储量丰富，煤炭的高效利用既能缓解传统使用方式带来的环境问题，又能提高煤的价值属性。无烟煤是一种含碳量高、密度和硬度高、变质程度较高的洁净煤种，是一种非常适合作为新型功能材料的前体。而三聚氰胺是一种富氮、价格较低、掺杂效果好的固体氮掺杂剂。对于在碳材料中引入氮原子方面，与高温下氨气注入这种气体掺杂方法来说，使用固体掺杂剂更加的安全、环保。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，步骤简单，成本低。