[发明专利]硼掺杂碳材料及其制备方法和用途

说明书

提供一种硼掺杂碳材料，即硼掺杂碳非金属氧还原催化剂，及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：(1)采用Friedel‑Crafts反应合成三苯基环三硼氧烷(TPB)的聚合物(PTPB)；(2)将PTPB热处理，即得硼掺杂碳非金属氧还原催化剂，属于燃料电池科学技术领域。旨在提供一种价格低廉、制备工艺简单且具有较高活性和高稳定性的非金属氧还原电催化剂及其制备方法。

技术领域

本发明涉硼掺杂碳材料，即硼掺杂碳非金属氧还原催化剂，及其制备方法和用途，具体的说，是一种硼掺杂碳非金属氧还原催化剂及其制备方法，属于燃料电池科学技术领域。

背景技术

随着现代社会的高度工业化，日趋严峻的能源枯竭及环境污染问题已成为人类必须面对的世界性难题，积极寻找、研究和开发绿色无污染的替代能源成为可持续发展的首要先决条件。燃料电池(Fuel Cells，FCs)能将化学能直接转化为电能，不经过燃烧过程，不受卡诺循环(Carnot cycle)限制，能量转换效率高且对环境友好，其开发利用日益受到重视。氧还原反应(oxygen reduction reaction，ORR)是最重要的电催化反应之一，是燃料电池和金属-空气电池等装置中非常关键的过程。

铂以及铂基催化剂是目前催化活性最高且最常用的ORR催化剂，但其价格昂贵、资源有限，且长时间运行稳定性欠佳，严重阻碍了燃料电池等相关领域的发展。因此，寻求可替代催化剂(例如碳)的非贵金属材料，已成为燃料电池研究的主要目标之一。非金属掺杂的碳材料成为氧还原催化剂中研究最活跃的一类催化剂，有望取代铂基催化剂成为下一代电池阴极催化剂。杂原子掺杂碳催化剂因其具有好的ORR催化活性、优异的稳定性和耐甲醇渗透性、低成本以及环境友好等特点，被认为有替代铂基催化剂的潜力。O、N、B、S、P、I等作为掺杂原子被引入到碳结构中以后，因其原子尺寸、键长和价电子等与C原子不同，使相邻C原子附近位点出现缺陷，碳材料的电中性被破坏，进而形成有利于氧还原反应的活性中心。近年来报道的作为硼源制备硼掺杂碳材料的有：三苯基硼、硼粉、乙硼烷、硼酸、苯硼酸、三氧化二硼、三氯化硼、硼烷、三溴化硼等，采用的掺杂方法主要是气相生长法、后掺杂法和溶剂法。中国专利CN103613092A、CN103496689A、CN104084226A等专利分别报道了硼掺杂石墨烯、硼掺杂碳纳米管以及硼掺杂碳作为氧还原电催化剂，均具有较好的氧还原催化活性，但都使用了硼源和碳源前驱体，方法较为繁琐。本发明所用的PTPB同时作为硼源和碳源前驱体，可通过简单热处理制备出性能更优异的ORR电催化剂。

综上所述，现有的硼掺杂碳材料的制备方法大都较为复杂，制备过程工艺条件不易控制，不利于催化剂产业化。因此，发展价格低廉、制备工艺简单且具有高活性和稳定性的硼掺杂碳电催化剂体系，对于推动燃料电池的发展及产业化进程具有重大意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种价格低廉、制备工艺简单且具有高活性和稳定性的硼掺杂碳非金属氧还原电催化剂及其制备方法。

本发明的第一个目的是：提供一种硼掺杂碳材料，即：硼掺杂碳非金属氧还原催化剂。该催化剂制备原料为：三苯基环三硼氧烷(TPB,即TRIPHENYL BOROXIN(e))的聚合物(PTPB)。

所述的聚合物(PTPB)为TPB采用Friedel-Crafts反应合成的交联聚合物。

根据本发明的第一个实施方案，提供一种硼掺杂碳材料，该材料是由三苯基环三硼氧烷(TPB)单体在双官能的烷基化试剂或酰基化试剂、任选的(即可有可无的)单官能的烷基化试剂或酰基化试剂和Friedel-Crafts反应催化剂存在下通过Friedel-Crafts反应获得三苯基环三硼氧烷聚合物(PTPB)，然后将所得聚合物进行热处理而获得的。

所述三苯基环三硼氧烷聚合物(PTPB)是：二聚体，三聚体，四聚体，五聚体，聚合度6-15的线性或交联多聚体，或聚合度16至500(优选，聚合度n＝20-400，更优选n＝30-300)的线性聚合物或交联聚合物，或，选自于这些当中任何两种或更多种的混合物。