[发明专利]一种氮掺杂介孔碳纤维基非贵金属电催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及一种氮掺杂介孔碳纤维基非贵金属电催化剂的制备方法及应用，属于电催化技术领域。本发明中氮掺杂介孔碳纤维基非贵金属电催化剂的制备方法包括如下步骤：S1、先将聚丙烯腈溶于有机溶液中，随后将偶氮二甲酸二异丙酯、四水合乙酸钴、乙酰丙酮铁依次溶于溶有聚丙烯腈的有机溶液中，得到前驱体溶液；S2、将前驱体溶液进行静电纺丝，制得纺丝前驱体；S3、将纺丝前驱体先后通过固化处理和碳化处理，得到氮掺杂介孔碳纤维基非贵金属电催化剂。本发明的碳纳米纤维基非贵金属电催化剂具有较正的氧还原反应半波电位和较小的析氧反应过电势。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，涉及一种氮掺杂介孔碳纤维基非贵金属电催化剂的制备方法。

背景技术

化石能源的枯竭以及能源使用所引起的环境污染已经成为影响人类生存与可持续发展的两大难题，而清洁、高效、可持续的新型能源转换装置显得尤为重要。自2009年，Gong K等人发现了垂直生长的掺杂N的碳纳米管具有较好的催化性能，越来越多的研究人员开始将目光转向了掺杂改性的碳材料，比如碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米球、碳纳米片等。

电催化是一种在电场作用下通过影响发生在电极表面处的电子转移反应，改变电极表面处的电化学反应速率的化学作用。电催化剂被广泛的应用于电化学分解水、燃料电池等诸多新型能源转换技术。高效、稳定的电催化剂可以有效的提升电化学反应界面处电化学反应速率以及转换效率。以铂、钌等贵金属为代表的贵金属基电催化剂因其较高的催化活性而备受关注，但是较高的成本以及较差的稳定性也限制了其商业化应用的发展脚步。与此同时，以过渡金属铁、钴、镍、锰、钼等为代表的合金、硫化物、磷化物、氮化物、碳化物、硼化物等新兴的电催化剂展现出了不俗的电催化活性，并且由于过渡金属元素较高的地球储量、较低的开采成本以及相对优越的催化性能，使得其有望实现电催化剂的大规模商业化应用。

然而，尽管已有大量工作致力于碳基非贵金属电催化剂的研究并已经取得了一定的进展，但是关于新型非贵金属催化剂的设计和制备仍然存在以下几个问题亟待解决：其一，非贵金属催化剂的导电性较差，不利于电荷传质过程的进行；其二，大部分研究的非贵金属电催化剂的稳定性较差，无法实现长期的循环重复利用；其三，制备的催化剂的所暴露的真实活性位点数目较少，导致性能较差；其四，较慢的反应动力学速率，阻碍了装置的能量转换效率。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种氮掺杂介孔碳纤维基非贵金属电催化剂的制备方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种氮掺杂介孔碳纤维基非贵金属电催化剂的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

S1、先将聚丙烯腈溶于有机溶液中，随后将偶氮二甲酸二异丙酯、四水合乙酸钴、乙酰丙酮铁依次溶于溶有聚丙烯腈的有机溶液中，得到前驱体溶液；

S2、将前驱体溶液进行静电纺丝，制得纺丝前驱体；

S3、将纺丝前驱体先后通过固化处理和碳化处理，得到氮掺杂介孔碳纤维基非贵金属电催化剂。

本发明在制备过程中加入发泡剂偶氮二甲酸二异丙酯进行造孔，增大催化剂比表面积，促进提升电化学性能。

作为优选，步骤S1所述的有机溶液包括N，N-二甲基甲酰胺、乙醇、甲醇中的一种或多种。

作为优选，步骤S1所述的聚丙烯腈与偶氮二甲酸二异丙酯的质量比为(10-15):1。

作为优选，步骤S1所述的偶氮二甲酸二异丙酯、四水合乙酸钴、乙酰丙酮铁的质量比为1:(5-8):(3-6)。

在本发明中，偶氮二甲酸二异丙酯、四水合乙酸钴、乙酰丙酮铁三者的添加都须控制在上述范围，若三者中任一物质的加入量偏少，都会使制得的催化剂中的活性位点数目降低，若加入量偏多，则容易使颗粒团聚严重，均造成最终催化剂性能下降。