[发明专利]基于氮硫共掺杂碳微球/碳片材料的氧还原电催化剂及其应用

说明书

本发明公开了基于氮硫共掺杂碳微球/碳片材料的氧还原电催化剂及其应用，该氧还原电催化剂包括有氮硫共掺杂碳微球/碳片材料，氮硫共掺杂碳微球/碳片材料通过以下方法制备：S1：将六氯丁二烯与福美钠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碳微球/碳片材料；还涉及所述碳材料、用途和包含其的氧还原电极。所述氮硫共掺杂碳微球/碳片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

本发明属于无机功能材料和电化学能源技术领域，具体是指一种氮硫共掺杂微介孔碳球/片材料的制备方法及其产品和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)拥有启动快、寿命长、能量大、无污染等优异特点，从而在汽车动力装置、移动电源以及发电厂等诸多领域都有着良好的应用前景。但另一方面，由于还存在诸多技术瓶颈不能解决，导致质子交换膜燃料电池离真正的商业化应用还有比较遥远的距离。

迄今为止，最为常用的燃料电池催化剂是铂基催化剂。但由于铂价格昂贵、资源匮乏，致使催化剂的成本很高。同时铂基催化剂也存在诸多缺陷，例如稳定性差、易中毒、质量活性低等。因此，寻找廉价活性高、稳定好的催化剂倍受关注。

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：

CN109786764A公开了一种具有分级孔、氮硫双掺杂非金属碳基氧还原催化剂及制备，属于催化剂技术领域。通过简易的方法合成了一种氮、硫、碳均匀分布的有机聚合物，并进一步高温煅烧,同时完成碳化、氮化和硫化过程，制备出氮、硫双掺杂型的分级孔碳材料。该材料在未使用模板的情况下具有分级孔的结构，比表面积大、合成方法简单、原料易得、成本低廉，而且具有良好的稳定性。但该材料的催化活性较差，不利于氧还原反应的进行。

CN108767275A公开了一种基于四嗪环聚咔唑的氮掺杂碳还原催化剂及其制备方法。首先，通过简单的方法合成了3,6-二（咔唑基）-1,2,4,5-四嗪（TCy），然后将TCy作为单体通过Friedel-Crafts烷基化合反应或氧化偶联反应合成了新型的超交联聚合物四嗪环聚咔唑，再将该四嗪环聚咔唑通过直接热解的方法得到基于四嗪环聚咔唑的氮掺杂氧还原催化剂（N/C），合成的催化剂具有优异的氧还原（ORR）催化活性和电化学稳定性。该方法操作过程复杂，不利于工业生产，且抗甲醇性能差。

为了实现催化活性好、稳定性好、抗甲醇性能好等电化学性能的氧还原电极的制备，本发明团队基于以下工作发明作为基础，做了以下工作：

CN107887613A公开了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，利用苯胺、六氯环三磷腈和硫脲为原料，通过水热合成的方法反应后在惰性气体下碳化最后制备出三维网状氮磷硫共掺杂多孔碳材料。所述三维网状氮磷硫共掺杂多孔碳材料具有优异的电学性能，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，并表现出了良好的抗甲醇性能、导电性等，在电化学领域具有巨大的应用潜力和工业价值。

CN110556548A公开了一种具有氧还原活性氮硫共掺杂的类花菜结构的碳材料，利用六氯丁二烯、氮硫共源化合物加入溶剂内在高温高压下进行密闭反应，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，但其产率低，难以工业化。

基于上述理由，通过简单、绿色、低成本的合成方法具有良好的电化学性能的新型杂原子掺杂碳材料具有十分重要的意义，也是目前电化学能源领域的研究热点和重点，而这也正是本发明得以完成的基础所在和动力所倚。

发明内容