[发明专利]一种半金属单原子掺杂的多孔碳膜及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种半金属单原子掺杂的多孔碳膜的制备方法，其特征在于制备方法如下：

方法1、将含半金属元素的聚离子液体和含有羧基的化合物通过流延成膜和静电交联的方法制备得到多孔聚合物膜，然后将多孔聚合物膜在惰性气氛中直接碳化，碳化温度为600～1200℃，碳化1～12小时，自然冷却至室温，可得到半金属单原子掺杂的多孔碳膜；

方法2、将不含半金属元素的聚离子液体和含有羧基的化合物通过流延成膜和静电交联的方法制备得到多孔聚合物膜，然后将所制备的多孔聚合物膜浸泡在含有半金属元素的溶液中1～24小时，将溶剂在40～100℃的条件下烘干，然后碳化吸附半金属原子的聚合物多孔膜，碳化温度为600～1200℃，碳化时间1～12小时，自然冷却至室温，可得到半金属单原子掺杂的多孔碳膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于方法1所述的聚离子液体为含有半金属元素的离子聚合物。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于方法2所述的含有半金属元素的溶液为含有半金属单质或含半金属元素的无机物或有机物的溶液。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于方法1或2所述的半金属单原子掺杂多孔碳膜的厚度为20nm到10cm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于方法1或2所述的半金属单原子掺杂多孔碳膜的孔径为20nm到50μm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于方法1所述的含有半金属元素的多孔聚合物膜的制备方法如下：

(1)将含半金属元素的聚离子液体和含有羧基的化合物按照0.8∶1～1∶5的摩尔比混合，加入10～500mL的二甲基甲酰胺或二甲基亚砜，在25℃～70℃条件下加热溶解；

(2)将步骤(1)所制备的聚合物溶液倾倒在玻璃板上，在25℃～100℃加热2～40小时，烘干溶剂；

(3)将步骤(2)所制备的聚合物复合膜在0.05wt％～25wt％的氨水溶液中浸泡1～48小时，得到含半金属元素的多孔聚合物膜。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于方法2所述的不含半金属元素的多孔聚合物膜的制备方法如下：

(1)将不含半金属元素的聚离子液体和含有羧基的化合物按照0.8∶1～1∶10的摩尔比混合，加入10～500mL的二甲基甲酰胺或二甲基亚砜，在25℃到70℃条件下加热溶解；

(2)将步骤(1)所制备的聚合物溶液倾倒在玻璃板上，在25℃～100℃加热2～40小时，烘干溶剂；

(3)将步骤(2)所制备的聚合物复合膜在0.05wt％～25wt％的氨水溶液中浸泡1～48小时，得到不含半金属元素的多孔聚合物膜。

8.根据权利要求1-4所述的制备方法得到自支撑的半金属单原子掺杂的多孔碳膜。

9.根据权利要求1-4所述制备方法得到的半金属单原子掺杂的多孔碳膜作为电极在电催化和燃料电池领域的应用。

10.根据权利要求9所述的电催化领域的应用，其特征在于，将半金属单原子掺杂的多孔碳膜作为电极应用于电催化水合肼氧化，具体做法为：将所制备的半金属单原子掺杂的多孔碳膜直接作为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，石墨棒为对电极，水合肼的氢氧化钾水溶液为电解液；电催化水合肼氧化具有非常低的起始电位，并且具有超高的稳定性，连续循环2000圈，催化性能未见明显降低。

11.根据权利要求9所述的燃料电池领域的应用，其特征在于，将半金属单原子掺杂的多孔碳膜作为电极应用于水合肼燃料电池，具体做法为：将所制备的半金属单原子掺杂的多孔碳膜直接作为阳极，商业铂碳(20％Pt/C)作为阴极，聚苯并咪唑膜为电解质。阳极发生水合肼氧化反应，电解液为含水合肼的氢氧化钾水溶液，阴极发生氧还原反应；水合肼燃料电池的输出功率密度高达290mW cm^-2，并且具有非常高的稳定性，连续工作6小时性能没有明显衰减。