[发明专利]一种具有氧还原活性氮硫共掺杂的类花菜结构碳材料、氧还原电极及制备方法、燃料电池

说明书

本发明涉及一种具有氧还原活性氮硫共掺杂的类花菜结构的碳材料，其制备方法包括如下步骤：S1：将六氯丁二烯、氮硫共源化合物加入溶剂内在高温高压下进行密闭反应；S2：反应结束后，泄压至常压，并自然冷却至室温，将所得固体进行离心、洗涤和干燥，得到干燥样品；S3：将所述干燥样品在惰性气体保护下进行高温焙烧处理，从而得到所述氮硫共掺杂类花菜结构碳材料；还涉及所述复合材料、用途和包含其的氧还原电极。所述氮硫共掺杂类花菜结构碳材料具有优异的性能，可用来制备燃料电池的氧还原电极，从而可用于燃料电池中，并表现出了良好的电化学性能，在电化学领域具有巨大的应用潜力和工业价值。

技术领域

本发明属于新材料和电化学能源技术领域，具体来说，提供了具有氧还原活性氮硫共掺杂的类花菜结构碳材料、氧还原电极及制备方法、燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，具有能量转换效率高、安装地点灵活和负荷响应快，运行质量高以及环境污染小等优点。但是燃料电池受阴极氧还原(ORR)缓慢动力学的影响，离大规模的商业化还有很长的一段距离。

现如今，燃料电池中催化性能较好的是贵金属类催化剂如铂，但是，贵金属在催化过程中存在着抗甲醇性能差、循环稳定性差等缺点。此外，贵金属价格比较昂贵。大大增加了运行成本。与贵金属催化剂相比，杂原子掺杂(如N,S,P等)的多孔碳材料具有价格低廉、抗甲醇和循环稳定性较好的优点，因此，使其在燃料电池催化上有广泛的应用前景。

近几年来，具有高比表面积，优异的导电性和稳定性的碳材料例如碳纳米管、介孔碳等已被广泛地应用于燃料电池方面，例如：

CN107887613A公开了一种基于三维网状氮磷硫共掺杂多孔碳材料的氧还原电极及制备方法与应用，属于无机功能材料领域。其制备方法如下：将氮源化合物、磷源化合物和含硫化合物在高压反应斧内进行密闭反应，待反应结束后，泄压至常压，去除反应多余溶剂，得到样品，最后将所述样品在惰性气体保护下进行高温处理，从而得到所述三维网状氮磷硫共掺杂多孔碳材料。上述所得多孔碳材料粒径分布均匀，具有氧还原催化活性高、稳定性好、寿命长等优点，从而可应用于燃料电池领域。

CN105776178A公开了一种利用煤直接液化残渣重质有机物制备氮硫共掺杂多孔炭的方法，该方法包括如下步骤：首先将煤直接液化重质有机物研磨成粉末，经过羟基化、羧酸化或磺化过程得到产物A，然后将产物A与碳源和硫源进行反应得到产物B，之后将产物B与一定比例的镁源机械混合，将混合物放置于炭化炉中炭化，得到氧化镁与氮硫共掺杂多孔炭混合物，最后，经过酸洗过程去除氧化镁得到氮硫共掺杂多孔炭。该工艺得到的氮硫共掺杂碳材料具有较大的比表面积，但是该材料硫含量相对较低，在酸性条件下，氧还原峰电位较低，碱性条件下半波电位也较小。

CN107482232A公开了一种燃料电池氧还原电催化剂磷、氮共掺杂碳材料的制备方法，其工艺过程如下：1、将三聚氰胺和焦磷酸与去离子水经超声分散混合均匀配成溶液；2、将上述溶液移入微波水热反应釜中，在一定微波条件下在微波水热反应仪中反应；3、将得到的产物用去离子水洗涤直至滤液变为无色，放至真空干燥箱中干燥至恒重；4上述干燥的样品惰性气氛下于高温煅烧得到花生状结构燃料电池氧还原电催化剂磷、氮共掺杂碳材料。该工艺结合了微波独特的加热特性和水热法的优点，操作简单、反应速度快、合成时间短、反应条件温和且反应效率高，该材料和仅有氮掺杂的碳材料相比，具有更高的催化活性，此外磷原子的掺杂为材料表面创造了较多的正电荷位点，增加了对氧气的吸附，材料的特殊结构增加了材料比表面积，提高了材料总体的催化活性。