[发明专利]一种过渡金属掺杂二维碳纳米片及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种过渡金属掺杂二维碳纳米片及其制备方法和应用，该过渡金属掺杂二维碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：将碳源、氮源、成孔剂以及过渡金属盐混合后，研磨均匀后，烘干，得到前驱体；将前驱体于惰性气氛中，进行热解；将热解后的产物进行酸洗，过滤烘干即得过渡金属掺杂二维碳纳米片。本发明的过渡金属掺杂二维碳纳米片的制备方法，工艺简单，通过“树脂中的成孔剂”通过一步热解方法制备得到三维互连多孔结构过渡金属掺杂二维碳纳米片状催化剂；该方法制备得到的过渡金属掺杂二维碳纳米片在碱性环境中具有优于Pt/C催化剂的性能，在酸性环境中有近似Pt/C催化剂的性能，而且稳定性好。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种过渡金属掺杂二维碳纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)燃料电池考虑到了高能量转换效率，环保操作和高可靠性等优点，已被公认为是潜在的下一代能量转换技术。然而，阻碍其大规模应用的主要障碍，由于需要四电子转移才能完成ORR，因此动力学缓慢，因此PEM燃料电池技术的优势在于阴极氧还原反应(ORR)对贵重的Pt基催化剂的依赖性。

当前商业化的PEMFC系统中使用的最先进的催化剂是碳负载的Pt或Pt合金纳米颗粒。为了获得满意的PEM燃料电池性能，Pt的载量要求高至0.2-0.4mg/cm²。最先进的膜电极组件(MEA)制作，Pt基催化剂的成本约占燃料电池组成成本的一半。因此研究廉价高效的氧还原催化剂成为质子交换膜燃料电池大规模应用的关键。

M(过渡金属Fe,Co，Ni，Mn等)-N-C催化剂是具有代替Pt基催化剂应用于PEMFC系统的可能，然而这些催化剂的催化性能有待进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种过渡金属掺杂二维碳纳米片及其制备方法和应用，以解决现有技术中存在的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种过渡金属掺杂二维碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：

将碳源、氮源、成孔剂以及过渡金属盐混合后，研磨均匀后，烘干，得到前驱体；

将前驱体于惰性气氛中，进行热解；

将热解后的产物进行酸洗，过滤烘干即得过渡金属掺杂二维碳纳米片。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述的过渡金属掺杂二维碳纳米片的制备方法，所述过渡金属盐中的过渡金属包括Fe、Co、Mn、Cr、Ni中的一种，所述过渡金属盐包括硝酸盐、氯化盐、乙酸盐中的一种。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述的过渡金属掺杂二维碳纳米片的制备方法，所述碳源包括葡萄糖，所述氮源包括尿素，所述成孔剂包括碱式碳酸锌。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述的过渡金属掺杂二维碳纳米片的制备方法，将碳源、氮源、成孔剂以及过渡金属盐混合后，研磨均匀后，烘干，得到前驱体，其中，烘干的温度为55～65℃、时间为3～5h。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述的过渡金属掺杂二维碳纳米片的制备方法，热解的温度为800～900℃、热解时间为1.5～2.5h。

进一步优选的，所述的过渡金属掺杂二维碳纳米片的制备方法，以2～4℃/min由室温升温至800～900℃进行热解。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述的过渡金属掺杂二维碳纳米片的制备方法，将热解后的产物进行酸洗具体为：将热解后的产物置于1～2M的H2SO4溶液中，于75～85℃下，酸洗3～5h。

第二方面，本发明还提供了一种过渡金属掺杂二维碳纳米片，采用所述的制备方法制备得到。

第三方面，本发明还提供了一种所述的过渡金属掺杂二维碳纳米片作为催化剂在燃料电池中的应用。