[发明专利]一种氮、铁掺杂共轭微孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种氮、铁掺杂共轭微孔碳材料及其制备方法与应用，通过Sonogashira‑Hagihara偶联反应合成了一种含氮的共轭微孔聚合物（CMP），再定向掺入铁元素，最后通过高温热解实现碳化，制备出一种氮、铁掺杂共轭微孔碳材料。本发明往共轭微孔聚合物中定向掺入Fe元素，使之成功表现出较好的氧还原催化活性，可用作燃料电池正极催化剂，为燃料电池正极材料提供为新的选择。该制备方法，制备过程简单，便于控制。

技术领域

本发明涉及掺杂多孔材料的制备技术领域，具体为一种氮、铁掺杂共轭微孔碳材料及其制备方法与应用。

背景技术

制备高效的阴极氧还原反应催化剂材料是突破燃料电池应用技术面临的重要挑战。目前大部分氧还原催化剂还是基于铂系催化剂，但是铂系金属价格昂贵、资源匮乏，制约了燃料电池的发展，因此急需开发可替代铂的经济型材料。

一般认为，高表面积、高孔隙度和适宜的孔结构有利于促进氧还原反应与产物的物质传输，进而提高催化剂的催化活性与稳定性。被人们称为“共轭微孔聚合物”(CMP)的一类材料可通常通过金属催化的交叉偶联(或偶联)法来制备。CMP材料的显着特点是它同时拥有微孔和很高的比表面积。并且因为其独特的结构，其自身就能提供含有如氮或硫等对电化学性能有促进作用的活性元素，加上还有多处键位可以掺杂金属元素，因此开发改进CMP对氧还原反应催化剂材料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供了一种氮、铁掺杂共轭微孔碳材料及其制备方法与应用，往共轭微孔聚合物中定向掺入Fe元素，使之成功表现出较好的氧还原催化活性，可用作燃料电池正极催化剂，为燃料电池正极材料提供为新的选择。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种氮、铁掺杂共轭微孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将摩尔比为1-3:1的1，3，5-三乙炔基苯和3，6-二溴咔唑在容器中进行混合，所述容器置于氩气环境中，再向混合溶液中加入四三苯基膦钯和碘化亚铜作为催化剂，再向容器中加入DMF和无水三乙胺，搅拌均匀，待充分溶解后，将容器加热至70℃-90℃，并不断搅拌，其中1，3，5-三乙炔基苯和3，6-二溴咔唑发生Sonogashira-Hagihara偶联反应，反应时长为75-80小时，取出反应生成的固体沉淀，用甲苯和甲醇冲洗，抽滤数次，后用甲醇索氏萃取14-18小时，真空干燥，制得前驱体；

(2)将制得的前驱体与铁盐以摩尔比为0.5-1:1的比例溶于DMF溶液中，再进行油浴加热，油浴温度为140℃-160℃，使其反应26-30小时，再将反应所得的产物进行抽滤，抽滤后进行真空干燥，获得初料；

(3)将干燥后的初料转移到瓷舟中，放入管式炉中进行煅烧，所述瓷舟充入氩气，待初料在氩气环境中完全碳化后，停止加热，待自然冷却后，获得所述氮、铁掺杂共轭微孔碳材料。

进一步地，步骤(1)中的1，3，5-三乙炔基苯和3，6-二溴咔唑的混合溶液中，1，3，5-三乙炔基苯和3，6-二溴咔唑之间的摩尔比为2:1。

进一步地，步骤(2)中的铁盐为氯化铁、硫酸铁或硝酸铁。

进一步地，步骤(3)中初料在瓷舟中碳化的反应温度为650℃，或者850℃，或者950℃。

进一步地，所述步骤(1)中1，3，5-三乙炔基苯和3，6-二溴咔唑均为单体。

本发明还提供一种由上述方法制备得到的一种氮、铁掺杂共轭微孔碳材料。

本发明制备的氮、铁掺杂共轭微孔碳材料，可用作燃料电池正极催化剂。