[发明专利]一种含有氮掺杂碳五元环结构的类石墨烯碳材料电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种含有氮掺杂碳五元环结构的类石墨烯碳材料电催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1)将甘氨酸和氯化镁在水中混合，加热溶解后，将体系与乙醇混合，析出沉淀，分离沉淀得到吸附有氯化镁的甘氨酸前驱体；S2)将吸附有氯化镁的甘氨酸前驱体在惰性气体氛围中加热，然后酸洗除去氧化物杂质，水洗并烘干后得到含有氮掺杂碳五元环结构的类石墨烯碳材料。该材料具有高催化活性以及高稳定性，并且不含贵金属，成本较低。实验结果表明，其催化活性和商用Pt/C接近，连续循环10000次后催化活性没有明显下降，在100h的恒电压反应后电流保持率高于商用Pt/C电催化剂，具有非常好的电化学氧还原实用前景。

技术领域

本发明涉及电催化技术领域，尤其涉及一种含有氮掺杂碳五元环结构的类石墨烯碳材料电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

发展高活性的非铂(Pt)催化剂解决氧还原反应(ORR)中动力学反应缓慢的问题是至关重要的，它是解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)大规模应用的关键环节。Pt材料虽然ORR活性很高，但是稀缺性以及昂贵的价格限制了它的大规模应用。尽管已经经过了几十年的努力来寻找替代材料，现今的非Pt材料的活性仍然远远落后于Pt以及Pt合金材料。这是因为大多数的非金属材料(例如无机化合物以及陶瓷)由于导电性太差，所以对于酸性氧还原反应的活性都太低，而大多数金属基材料都不耐酸腐蚀，因此非Pt材料应用在酸性ORR中的研究进展较慢。

而在非金属材料中，碳纳米材料，尤其是石墨烯由于本身有很多优点而被认为是一种很有希望的候选材料，比如它具有较好的导电性，耐腐蚀性强，以及可调节的物理和化学性质。但目前在酸性ORR中，碳纳米材料的活性仍然远远落后于Pt基催化剂，这主要有两点原因：一是因为缺乏合适的方法在碳纳米材料中合成具有高活性的催化结构；二是大部分活性位点都被埋藏在碳层间中没有得到充分的暴露。因此，解决上述问题来发展碳纳米材料，尤其是石墨烯应用在酸性环境下的ORR具有重要的研究价值和应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种含有氮掺杂碳五元环结构的类石墨烯碳材料电催化剂及其制备方法和应用，制备的含有氮掺杂碳五元环结构的类石墨烯碳材料电催化剂具有较高的催化活性以及稳定性。

为达到上述目的，本发明提供了一种含有氮掺杂碳五元环结构的类石墨烯碳材料，所述碳材料中含有石墨型氮原子相连的碳五元环结构。

本发明优选的，所述含有氮掺杂碳五元环结构的类石墨烯碳材料中氮原子的原子比例含量为7.61％～11.38％；其中石墨型氮原子的原子比例含量优选为1.98％～2.33％。

本发明提供的含有氮掺杂碳五元环结构的类石墨烯碳材料，其基底为多层石墨烯，具有短程有序石墨结构，类石墨烯表面具有氮原子和拓扑缺陷，所述石墨氮与碳五元环相连，活性结构为石墨氮相连的碳五元环。

本发明提供了上述含有氮掺杂碳五元环结构的类石墨烯碳材料电催化剂的制备方法，是在液相中首先制备出吸附有氯化镁的甘氨酸前驱体，然后在惰性气氛下退火处理。

具体包括以下步骤：

S1)将甘氨酸和氯化镁在水中混合，加热溶解后，将体系与乙醇混合，析出沉淀，分离沉淀得到吸附有氯化镁的甘氨酸前驱体；

S2)将吸附有氯化镁的甘氨酸前驱体在惰性气体氛围中加热，然后酸洗除去氧化物杂质，水洗并烘干后得到含有氮掺杂碳五元环结构的类石墨烯碳材料。

本发明优选的，所述甘氨酸、氯化镁、水和乙醇的比例为(0.5-1g)：(0.75-1.5g)：(5-6mL)：(35-42mL)。

本发明优选的，所述步骤S1)具体为：

首先将甘氨酸溶于水中得到甘氨酸水溶液；然后加入水和氯化镁，搅拌均匀后，体系加热溶解，然后在体系中加入无水乙醇，析出沉淀，分离沉淀得到吸附有氯化镁的甘氨酸前驱体。