[发明专利]一种双金属掺杂碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种双金属掺杂碳复合材料的制备方法及应用，属于材料领域。该方法以铜基金属有机骨架材料为基体，利用溶剂界面作用，将金属离子通过静电作用均匀地吸附分散到铜基金属有机骨架材料中，在经过高温碳化和酸性处理过程，制备得到双金属掺杂碳复合材料。本发明制备方法简单、原料廉价，制备出双金属掺杂碳复合材料具有高的比表面积，双金属均匀稳定地分布在碳骨架结构中。该双金属掺杂碳复合材料作为氧还原催化剂表现出高效、稳定的电催化性能，在金属‑空气电池及燃料电池领域具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种双金属掺杂碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

氧还原反应是燃料电池和金属-空气电池中的重要反应，由于其大的过电位和缓慢的动力学过程，需要大量的贵金属铂作为催化剂用于提高催化剂的氧还原性能，然而贵金属铂的价格高、储量有限、抗中毒能力低，因此，开发新型高效的非贵金属催化剂替代铂基催化剂，成为目前燃料电池和金属-空气电池领域研究的热点。金属掺杂碳材料是一类重要的非贵金属氧还原催化材料，如超高的比表面、良好导电性和力学性能，在催化、能源和信息等方面得到广泛应用。目前金属掺杂碳材料制备方法较多，常规方法利用金属源、氮源与碳材料混合，高温碳化，将金属与氮原子键合共掺杂到碳材料，而常规方法在高温碳化过程，金属容易聚集长大，无法控制金属均匀掺杂到碳结构中。CN201710056827.8公开了一种氮或金属掺杂碳材料的制备方法，在溶剂、催化剂和惰性气体保护的条件下，形成亚氨基吡啶配体聚合物，然后进行热裂解处理，得到氮掺杂碳材料，用作锂电池电极材料时，表现出良好的储锂性能和循环稳定性能。202010417894.X公开了一种Co-MOF衍生的钴/氮/碳复合材料的制备方法，利用聚酰亚胺与Co-MOF原料混合均匀，合成聚酰亚胺与Co-MOF复合前驱体材料，在经过高温碳化处理，制备了一种导电性好氧还原电极材料。然而，上述方法制备过程复杂，金属掺杂量较少，限制了金属掺杂碳复合材料的进一步应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题提出一种双金属掺杂碳复合材料的制备方法及应用。本发明以铜基金属有机骨架材料为金属和碳源，利用溶剂界面作用和静电相互作用，将溶剂中金属离子均匀地吸附在铜基金属有机骨架材料孔结构中，再将氮源利用酸-碱吸附作用，分散到铜基金属有机骨架材料中，最后经过碳化、酸洗、洗涤和干燥过程，制备得到双金属掺杂碳复合材料，其中双金属元素均匀分散在碳结构中；该方法制备工艺简单，原料丰富廉价，制备的双金属掺杂碳复合材料，由于双金属原子以及氮之间的协同效应，作为氧还原电催化剂，表现出高效的电催化氧还原性能，在掺杂型碳复合材料制备和能源转换领域具有潜在的应用价值。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种双金属掺杂碳复合材料的制备方法，所述的制备方法如下：

(1)将铜盐、有机配体加入到溶剂中，在100-200℃条件下，水热反应20-50小时，洗涤，干燥得到铜基金属有机骨架材料；

(2)将铜基金属有机骨架材料加入到溶剂A中，搅拌分散均匀，获得铜基金属有机骨架材料混合液；

(3)将金属盐加入到溶剂B中，搅拌至其全部溶解，获得金属盐溶液；

(4)将步骤(3)金属盐溶液加入到步骤(2)混合液中，搅拌均匀，加入氮源，继续搅拌至均匀，然后过滤、洗涤、干燥，得到前驱体；

(5)将步骤(4)得到的前驱体放于管式炉中，高温碳化处理，获得金属/铜/氮/碳复合物；

(6)将步骤(5)得到的金属/铜/氮/碳复合物物加入到酸溶液中，进行酸洗处理，之后经过过滤、洗涤、干燥，即可得到金属和铜双金属掺杂碳复合材料，金属和铜元素的总质量占复合材料总质量的0.5-8％。

一种双金属掺杂碳复合材料，其特征在于：该材料是通过如下方法制备得到：