[发明专利]一种铁硫磷共掺杂纳米多孔石墨催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种铁硫磷共掺杂纳米多孔石墨催化剂的制备方法。本发明采用氮气作为载气，通过化学气相沉积法制备得到纳米颗粒前驱体，再酸处理将前驱体中的铁颗粒变为铁离子吸附于硫磷官能团上获得铁硫磷共掺杂纳米多孔碳颗粒。本发明利用过渡金属纳米颗粒的催化效应，在浮动催化反应炉中进行浮动催化裂解反应，形成直径为15～110nm，壁厚为0.79～5nm，石墨层数为3～20层的纳米颗粒，形成的纳米粒子周围被石墨碳层包裹。本发明制备得到的纳米颗粒具有尺寸、形貌可调的特点，并且具有较高的电化学活性和氧还原催化活性，可用于氢燃料电池电催化剂。本发明的制备方法成本低廉、制备工序较少、操作简单，适合工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种氢燃料电池阴极氧还原催化剂的合成方法，具体涉及一种铁硫磷共掺杂纳米多孔石墨催化剂的制备方法，属于电化学技术领域。

背景技术

随着技术的发展，非贵金属碳材料在催化活性，稳定性上正快速接近铂催化剂，同时还具有优良的导电性和成本较低等优点，日益受到研究者的青睐。多介孔结构和高比表面积是催化剂材料提高催化活性的合理结构，其中多介孔结构可以提供更多的气体传输通道，而高比表面积可以提供更多的活性中心附着点(New J.Chem 41(2017)15236-15243)。含有掺杂元素(如硼、氮、磷、硫等) 的碳纳米材料，由于引入N、B、P和S等杂原子，可以改善碳材料的固有结构，其可形成类似于p型或n型结构，打破它们的电中性，材料的孔隙率和比表面积会获得一定程度上的提高，会生成了更多的氧还原催化活性位点，增强了氧的吸附能力，从而，增强催化剂的催化活性，同时，提高材料的导电性，可以将其应用于相关电子器件材料或电池材料领域，因此它具有重要的应用价值。铁硫磷共掺杂碳纳米材料如今是较为新型的一种碳纳米材料，受到研究者们广泛研究，开发一种简单、高效、环保的铁硫磷共掺杂纳米材料具有重要研究意义。

通过对现有文献进行查阅，Juan Ding等人在《Journal of Alloys andCompounds》(2021,851,156791)上发表的“Sulfur and phosphorus co-doped hardcarbon derived from oak seeds enabled reversible sodium spheres filling andplating for ultra-stable sodium storage”一文中提及到一种制备硫磷共掺杂碳材料的方法，橡树籽作为碳源，乙醇清洗处理橡树籽，再在100℃的条件下干燥，然后在氮气气氛中的碳化处理，试样磨成粉末，HF酸化处理，合成S/P共掺杂硬碳。由于橡树籽本身所含杂质，且制备过程需要研磨试样，热处理时间较长，容易造成产品的损耗，这制约了磷氮共掺杂碳纳米材料的连续化和大规模生产，也不利于将该种方法实现工业化。

发明内容

本发明解决的技术问题是：如何获得一种具有优良的电化学活性，优秀的稳定性，且成本低廉的纳米多孔碳颗粒催化剂。

为了解决上述技术问题，本发明提供了铁硫磷共掺杂纳米多孔石墨催化剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：通过化学气相沉积法制备得到前驱体纳米颗粒：首先将碳源、硫源、磷源和铁源依次放入烧瓶中混合得到原料混合物，以氮气作为载气将所述的原料混合物通过电子蠕动泵输入到立式管式炉内部的喷射器，然后喷入立式管式炉的加热区进行化学气相沉积，得到前驱体纳米颗粒，所述的前驱体纳米颗粒随着氮气离开管式炉的加热区，进入与立式管式炉连接的接收装置，进行收集；

步骤2：将步骤1收集所得的前驱体纳米颗粒，进行酸洗处理，将前驱体纳米颗粒中的铁颗粒变为铁离子，随后过滤并洗涤，所得产物冷冻干燥，即得到铁硫磷共掺杂纳米多孔石墨催化剂。

优选地，所述步骤1中的碳源为丙酮或乙醇，所述的硫源为二硫化碳或噻吩，所述的磷源为亚磷酸或三溴氧磷，铁源为乙酰丙酮铁。

优选地，所述的碳源、硫源、磷源和铁源的质量比依次为10:2:1:1～2:2:1:2。