[发明专利]氮掺杂石墨烯的制备及其氧还原性能

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及以富氮唑类化合物为氮源，氧化石墨为碳源合成氮掺杂碳非金属氧还原催化剂材料。

背景技术

燃料电池发电是继火力和核能发电、水利之后的第四类发电技术。与其它电池相比，燃料电池具有操作方便、使用寿命长、发电效率高、污染小等优点，被赞誉为“21世纪的清洁能源”，因而被认为是未来便携电子产品的主要替代能源之一。目前燃料电池阴极催化剂主要用Pt或Pt基合金催化剂，由于Pt资源匮乏，价格昂贵，造成电池成本过高，严重阻碍了燃料电池的商业化；而已商业化的直接甲醇燃料电池由于甲醇渗透导致阴极Pt催化剂上发生电氧化，产生“混合电位”，且甲醇氧化产生的毒性中间体易使催化剂中毒，严重影响电池的输出性能。因此开发具有高活性的非贵金属甚至非金属氧还原催化剂是目前燃料电池研究的难点之一。

近年来，对碳材料的修饰，尤其是氮掺杂碳作为燃料电池非金属还原氧催化剂引起了人们的广泛兴趣。现有的氮掺杂碳的方法是以有机含氮化合物为氮源，将氮原子引入碳材料骨架中，由于电负性大的氮原子取代碳原子，能改善碳材料的结构和性能，使碳材料的缺陷增多，活性位点增多，且含氮化合物氮含量越高，碳骨架中的石墨有序化程度越低，表面越粗糙，对氧的还原能力增强，但由于大部分掺杂的方法都是采用气相沉积或高温煅烧法，而大多数有机物的熔点和沸点都比较低，在其制备过程中温度过高，有机物瞬间被蒸发，难以和碳材料掺杂；然而，煅烧温度过低，碳的石墨化较高，难以形成结构缺陷，其催化性能较低，因此寻求更合理的氮源与碳材料有效掺杂，获得具有优良性能的非金属氧还原催化剂成为现阶段燃料电池研究的热点。

石墨烯是一种新型的二维纳米材料，其独特的结构和优异的性能在电容器、传感器、锂离子电池、燃料电池等方面很有应用潜力。富氮型的唑类化合物氮的含量能达到80％，熔点在200 ℃ 以上，并且可以在较高的温度下将氮原子引入石墨烯的骨架得到氮掺杂的石墨烯，通过与相邻碳原子之间电子的相互转移使氮原子带正电荷，从而形成良好的电子接受体，很容易吸引阳极传递的电子进而促进氧气的还原，大大提高了对氧还原催化性能，对燃料电池的发展有潜在的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本廉价、高效、循环寿命长、对环境无污染的非金属氧还原催化剂。

    本发明提出的氮掺杂石墨烯氧还原催化剂的制备方法是在氮气保护下高温煅烧一定质量比的富唑类化合物和氧化石墨得到氮掺杂碳的非金属氧还原催化剂材料。它将唑类化合物和石墨烯固有的结构性质有效的结合起来，克服了其他化合物的缺陷，不仅提高了氧还原催化性能，还具有操作简单、成本低廉、循环寿命长，安全无污染，效率高等优点。

本发明提出的氮掺杂石墨烯氧还原催化剂的制备方法如下：

1、首先将富氮型的唑类化合物（主要为三氮唑和四氮唑及其衍生物）作为氮源，氧化石墨作为碳源，以不同的质量比例混合，在玛瑙研钵中研磨一定时间，再分别装入瓷舟中。

2、每个样在不同的温度、氮气保护下煅烧一定时间，得到氮掺杂石墨烯氧还原催化剂。

3、通过对所制得的催化剂进行电化学测试，对得到的氮掺杂石墨烯氧还原催化剂的催化能力进行评价。

 

附图说明    

图1为所制得样品催化氧还原的CV曲线。

图2为所制氧还原催化剂N元素的XPS曲线。

具体实施方式

实施例一

以5-氨基四氮唑一水合物为氮源，氧化石墨为碳源，将5-氨基四氮唑一水合物和氧化石墨以质量比为25:1混合，在玛瑙研钵中研磨5 min，装入瓷舟中，放入管式炉氮气保护下700 ℃ 煅烧2 h，得到的氮掺杂氧化石墨烯。XPS光电子能谱证明N有效的掺杂入石墨烯中；电化学测试结果表面该材料有很好氧还原能力。

实施例二

以4-氨基-1,2,4-三唑为氮源，氧化石墨为碳源，将4-氨基-1,2,4-三唑为氮源和氧化石墨以质量比为50:1混合，在玛瑙研钵中研磨5min，600 ℃ 煅烧2 h得到的氧还原催化剂具有很好的氧还原能力。