[发明专利]一种基于ZIF-8的硼，氮共掺杂非金属碳基氧还原电催化剂的制备方法

说明书

一种基于ZIF‑8的硼，氮共掺杂非金属碳基氧还原电催化剂的制备方法。本发明首先，通过控制晶体的合成条件得到ZIF‑8前驱体，然后将前驱体晶体与苯硼酸小分子通过溶剂混合，搅拌，形成均匀分散的混合材料，最后在管式炉中高温碳化，得到黑色粉末碳材料，无需进一步后处理，即得到硼，氮共掺杂非金属碳基催化剂。本发明的优点主要有：材料来源丰富，成本较低，所制备的材料氧还原催化活性高，具备良好的稳定性，甲醇耐受性，具有广阔的应用前景和实用价值。

技术领域

本发明涉及一种具有优秀电催化氧还原活性的硼，氮共掺杂非金属碳材料的制备方法，主要涉及材料化学领域，燃料电池，阴极氧还原催化剂领域。

背景技术

当今社会的飞速发展需要巨大的能源支撑，而日益严峻的生态问题使得我们急需寻找一种高效绿色的能源利用方式。燃料电池具有较高的能源转化效率，环境污染小等优点，可以有效地解决能源需求与环境污染之间的矛盾。当前，制约燃料电池发展的主要因素是阴极发生的氧气还原反应(Oxygen Reduction Reaction，ORR)效率较低。传统的阴极催化材料Pt存在储量较低，价格高昂等问题，此外较差的耐久性和抗甲醇毒性，都成为制约Pt大规模应用的关键，从而进一步影响了燃料电池的普及。因此，开发一种成本低廉，经济高效，具有良好的催化活性，较强的耐久性和抗甲醇毒性的阴极催化材料成为燃料电池发展的关键。

碳基材料自应用于电极催化方面，就凭借其较低的成本，有意的催化活性和长期的耐久性，受到了广泛的研究与关注。杂原子掺杂可以有效地改变碳材料固有的电学性质和材料的形貌结构，从而有效提高材料的催化活性。传统的杂原子掺杂碳材料通常使用化学沉积法获得，成本相对较高。而直接将杂原子与前驱体混合碳化获得的杂原子掺杂碳材料，很难在微观上控制杂原子的掺杂，导致杂原子在掺杂过程中的团聚，导致掺杂过程中效率较低，活性位点较少，催化剂催化效果较差等问题。以金属有机骨架材料(Metal OrganicFrameworks，MOFs)为前驱体，利用MOFs材料规整有序的晶体结构和丰富的有序多孔结构，可以使得杂原子小分子在预处理的过程中充分混合均匀，从而获得杂原子分布均匀，具有丰富活性位点与较大比表面积的杂原子掺杂碳材料。ZIF-8是一种廉价易得、具有较高稳定性的晶体材料，此外沸点较低的Zn在碳化过程中易于除去，形成多孔碳材料，有利于碳材料活性的提高。含氮丰富的配体使得谈话后得到的碳材料具有丰富的活性位点。目前，常见的非金属杂原子由B，N，S，P等。以ZIF-8为前驱体制备杂原子掺杂的多孔碳纳米材料受到广泛的关注，但采用ZIF-8为前驱体，苯硼酸为硼源，制备B，N共掺杂多孔碳材料并应用于电催化氧还原催化剂的案例仍未见报道。

本发明使用ZIF-8材料作为前驱体，以苯硼酸为硼源，在惰性气体氛围中高温碳化，制备了一种B，N共掺杂的多孔碳材料。得到的材料得益于硼的掺杂，使得材料中的吡啶氮与石墨氮的含量得到提升，具有较好的催化活性，而多孔含氮的前驱体ZIF-8使得得到的碳材料具有丰富的孔道结构，较大的比表面积等，较多的活性位点，有利于催化反应过程中物质的传递及与反应位点的接触。

通过电化学测试，该方法制备的碳材料具有良好的氧还原电势，优秀的长期稳定性和较强的抗甲醇毒性，具有良好的应用前景。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种ZIF-8为前驱体，硼，氮共掺杂电催化氧还原多孔碳材料催化剂，即使用ZIF-8为前驱体，以苯硼酸为硼源，通过高温碳化的方式制备B，N共掺杂多孔碳材料催化剂。

本发明的技术方案是：一种基于ZIF-8的硼，氮共掺杂非金属碳基氧还原电催化剂的制备方法，其具体制备方法如下：

步骤一、前驱体ZIF-8材料的制备：