[发明专利]一种杂原子共掺杂的非贵金属基碳材料及其制备方法、应用

说明书

本发明属于催化剂技术领域，尤其涉及一种杂原子共掺杂的非贵金属基碳材料及其制备方法、应用。该材料通过以下方法制备：将氯化铁在乙醇中超声分散均匀，加入木质素磺酸钠搅拌，干燥后洗涤，得到铁螯合的木质素；将次磷酸钠与铁螯合的木质素研磨均匀，通过热解反应即得。本发明的制备方法是集Fe‑N‑C、FeP活性位点于一体，利用二者的协同作用同时实现电催化氧还原、析氢和析氧反应，实现催化活性和稳定性的显著提升。本发明利用盐辅助策略将铁螯合木质素与次磷酸钠结合起来，制得可同时催化氧还原、析氢和析氧反应的三功能非贵金属基碳材料，解决了现有技术中贵金属催化剂成本高、储量低的问题。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，尤其涉及一种杂原子共掺杂的非贵金属基碳材料及其制备方法、应用。

背景技术

当前能源问题的不断激化、可持续发展形势的迫在眉睫，使得新型能源转换装置如金属-空气电池、质子交换膜燃料电池的开发成为科研热点。电催化材料作为燃料电池的关键材料，开发可同时应用于催化氧还原、析氢和析氧反应的低成本、高性能的三功能电催化剂对能源转换装置等具有重要的意义。但是，由于反应动力学缓慢问题的存在，目前只有储量低、价格高的贵金属催化剂被用作商用催化剂，从而限制了商用燃料电池的应用。因此，开发低成本、高性能的非贵金属电催化材料成为科研人员的目标。

在非贵金属电催化剂的开发过程中，碳材料因其性价比高、导电性好、比表面积高、稳定性好而得到了广泛的关注。三功能催化剂不仅可以避免各种催化剂相互作用引起的副反应，而且简化了电极的设计和结构。电催化氧还原、析氢和析氧反应中的性能对于碳材料具有重要影响。因此，开发对这三个关键反应具有高性能的三功能碳基电催化剂具有重要的意义。因此开发一种同时应用于电催化氧还原、析氢和析氧反应的高活性、高稳定性的杂原子共掺杂的非贵金属基碳材料，实现非贵金属电催化剂在商用燃料电池上的广泛应用具有广泛的经济效益和社会效益，具有重要意义。

发明内容

为了得到同时应用于电催化氧还原、析氢和析氧反应的高活性、高稳定性的杂原子共掺杂的非贵金属基碳材料，本发明提供了一种杂原子共掺杂的非贵金属基碳材料，该材料实现了三功能电催化性能。

本发明的另一发明目的是提供了一种上述杂原子共掺杂的非贵金属基碳材料的制备方法，所述制备方法操作简单，解决了现有技术中贵金属催化剂成本高、储量低的问题。

本发明的又一发明目的是提供了上述杂原子共掺杂的非贵金属基碳材料在电催化氧还原、析氢和析氧反应中的应用，具有优异的电催化性能。

为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种杂原子共掺杂的非贵金属基碳材料的制备方法，采用以下步骤：

（1）将氯化铁在乙醇中超声分散均匀，加入木质素磺酸钠搅拌，干燥后洗涤，得到铁螯合的木质素；

（2）将次磷酸钠与铁螯合的木质素研磨均匀，通过热解反应得到杂原子共掺杂的非贵金属基碳材料。

进一步的，步骤（1）中，所述氯化铁在乙醇中的浓度为0.025-0.1g/mL；所述氯化铁与木质素磺酸钠的质量比为1-3：1-3。

进一步的，步骤（1）中，所述超声的功率为220-280W，超声时间为10-20min；所述干燥为在70-90℃下干燥20-24h。

进一步的，步骤（2）中，所述次磷酸钠与木质素磺酸钠的质量比为1-3:0.1。

进一步的，步骤（2）中，所述次磷酸钠加入后进行溶解，采用超声处理，其中所述超声的功率为220-280W，超声时间为10-20min。