[发明专利]一种非金属掺杂碳气凝胶电催化剂的制备方法

说明书

本发明属于纳米多孔材料的制备工艺领域，尤其涉及一种非金属掺杂碳气凝胶电催化剂的制备方法。通过引入碳酸钠催化剂发生酚醛反应，采用溶胶‑凝胶法结合超临界干燥工艺和高温热处理制备出一种非金属掺杂有机气凝胶，然后在含有惰性气体氛围的管式炉中进行高温热处理，从而制备出一种非金属掺杂碳气凝胶电催化剂。本发明制备的催化剂，具有优越的电催化性能，比表面积大，且工艺简单，高效，低成本。

技术领域

本发明属于气凝胶材料的制备工艺领域，涉及一种非金属掺杂碳气凝胶电催化剂的制备方法。

背景技术

电催化反应可广泛应用于缓解传统化石燃料燃烧而导致的能源危机和环境恶化问题，并应用于燃料电池，锌空电池、电解水、电催化、等领域。当前热门的电催化反应有电催化析氢反应(HER)、氧还原反应(ORR),还原二氧化碳反应(CRR)、氮还原反应(NRR)等。其中HER是指通过电化学方法使用催化剂产生氢气，ORR是指通过电化学方法，使氧气分子转变成水或双氧水，CRR是指二氧化碳还原成单碳或多碳类的碳氢化合物，NRR是指氮气被还原成氨气。Jiang等以柠檬酸和氯化铵为原料，采用自发气体发泡法制备掺氮超薄碳纳米片，在N₂饱和的0.5mH₂SO₄电解质中观察到NCN样品的HER活性显著提高，电流密度为10mA/cm^-2时，此样品的过电势为0.09V，且具有优良的动力学性质(EnergyEmvironmentalScience,2019,12(1).)。Liu等以采用原位合成、Co₃O₄/CNSs氧化和与硫化钠水热反应的简单方法制备了双功能氧电催化剂Co₉S₈/CNSs材料，这种Co₉S₈/C杂化NS催化剂具有丰富的活性中心和二维片状结构，过电位低，催化性能优越，具有较小的Tafel斜率为119mV dec^-1，对ORR和OER都具有良好的双功能电催化性能(Nanoscale,2019.11(3).)。Guo等采用原位一步自组装和受限热解的方法制备了高效的N掺杂CNT包覆Co₂P-CoN双活性中心电催化剂，作为柔性锌-空气电池的阴极电催化剂，起始电位为0.96V，其半波电位为0.85V，极限电流密度为5.01mAcm^-2，具有优异的电催化活性和氧还原活性(Advansed functional Materials,2018.28(180564151).)。电催化研究较多的有骨架镍、硼化镍、碳化钨、钠钨青铜、尖晶石型半导体氧化物等材料，这些金属材料或金属氧化物作为电催化剂存在着一些不足，例如金属价格昂贵、比表面积小，这就导致催化剂与反应物的接触面积小，催化性能较弱。

气凝胶是一种三维纳米多孔结构的轻质材料，具有高孔隙率、低密度、低声传播速度、低介电常数、高比表面积等优异性能。在热学、光学、声学、微电子、催化、航空航天和节能建筑等领域的应用前景十分广阔。因此，采用可导电气凝胶作为电催化材料，利用气凝胶材料的高比表面积，可以提升电催化性能。可导电的气凝胶有：碳气凝胶、石墨烯气凝胶和金属气凝胶。其中，碳气凝胶具有高比表面积、高孔隙率、强耐腐蚀性、低密度、低电阻系数和稳定性较好的网络结构，是催化剂载体的最佳材料之一和高效高能电容器的理想材料。但是当单独使用碳气凝胶作为电催化材料时，它的结构中没有特别的催化活性位，达不到很好的催化效果。为了进一步提高电催化性能，选择非金属元素掺杂入碳气凝胶中，掺入的非金属元素可以提供丰富的结构缺陷和活性位点，并在碳原子周围产生局域电子态，成为一个明确的催化活性位，随之产生联动反应，因此，将非金属元素掺杂入碳气凝胶中大大提高了催化剂的电催化活性，达到更好的催化效果。

发明内容

本发明将目的是为了改进现有技术存在的不足而提供一种非金属掺杂碳气凝胶电催化剂的制备方法，该方法采用溶胶—凝胶法结合超临界干燥工艺和高温热处理合成非金属掺杂的碳气凝胶，原料和工艺简单，耗能低，结构可控，制备出的气凝胶材料具备低密度、高比表、高电催化等特性，对实现气凝胶材料在电解水、电催化、燃料电池及节能环保等领域的应用具备积极的生产意义。