[发明专利]氮掺杂有序分级介孔碳催化剂的制备及其碳催化剂和应用

摘要

本发明公开了一种氮掺杂有序分级介孔碳催化剂的制备方法及其在质子交换膜燃料电池中的应用。该催化剂是通过二元混合模板法制成，即以三嵌段共聚物作为软模板剂，分子筛作为硬模板剂，选用可溶性树脂作为碳源，在制备过程中添加过渡金属盐，原位引入过渡金属元素，同时通过氨气气氛焙烧引入氮元素。该氮掺杂有序分级介孔碳材料具有高活性比表面和优良的传质性能，展现出优异的氧还原催化性能和良好的电化学稳定性。本发明的碳材料，首次实现了二元混合模板剂法在氧还原碳基催化剂制备中的应用，同时具有工艺重复性好、成本低和环境友好等优点。

主权项

1.氮掺杂有序分级介孔碳催化剂的制备方法，其特征在于：其所述氮掺杂有序分级介孔碳催化剂的具体制备方法如下：(1)取间苯二酚或苯酚放入容器中，在30‑50℃恒温水浴中搅拌10‑40min，使其融化得到溶液A；(2)将质量分数为10‑20wt.％的NaOH溶液加入到上述溶液A中，保持50℃水浴搅拌均匀，得到溶液B，其中间苯二酚或苯酚与NaOH的摩尔比为15:1‑5:1；(3)向溶液B中加入质量分数10‑40wt.％的甲醛溶液，其中间苯二酚或苯酚和甲醛的摩尔比为1:5‑1:1，调节水浴温度至40‑80℃，持续搅拌0.5‑4h，制备得到可溶性酚醛树脂溶胶C；(4)取出溶胶C，冷却至室温后用0.5‑2M盐酸调节溶液至PH＝7或8，得到树脂溶液D；(5)将树脂溶液D放入真空干燥箱中，除去水分，得到的树脂凝胶经乙醇稀释后离心除去析出的NaCl，最终获得质量分数为10‑50wt.％的树脂预聚体乙醇溶液E；(6)取三嵌段共聚物F127或P123溶于乙醇中，在30‑50℃恒温水浴中搅拌均匀，得到溶液F，其中F127或P123在溶液中的质量分数为2‑10wt.％；(7)向溶液F中加入树脂预聚体乙醇溶液E，保持30‑50℃恒温水浴中搅拌均匀，得到溶液G，其中树脂预聚体与三嵌段共聚物F127或P123的质量比为1:0.4‑1:4；(8)向溶液G中依次加入过渡金属盐和分子筛，搅拌1‑4h，其中树脂预聚体与过渡金属盐的质量比为1:0.04‑1:0.16，树脂预聚体与分子筛的质量比为1:0.2‑1:1.6；(9)将步骤(8)所得悬浊液转移到培养皿中，在室温下挥发6‑18h，再将培养皿置于60‑120℃烘箱内固化4‑12h，得到薄膜聚合物材料H；(10)将步骤(9)所得薄膜聚合物材料H于700‑1200℃氨气气氛碳化2‑10小时，N₂或Ar吹扫至室温，采用质量分数为10‑20wt.％的氢氟酸溶液洗除分子筛，并用去离子水洗涤4‑6次，干燥后即得氮掺杂有序分级介孔碳催化剂；其中，所使用过渡金属金属盐为VB、VIB、VIIB和VIII族中的一种或多种金属元素的可溶性盐；所使用分子筛为Y型分子筛、MCM‑41分子筛或ZSM‑5分子筛中的一种或多种。