[发明专利]混合熔融盐法制备含杂原子碳材料的方法

说明书

本发明提供了一种混合熔融盐法制备含杂原子碳材料的方法，是将动物骨头烘干、敲碎，与无机盐混合，球磨机研磨后于高压反应釜中进行热处理；热处理后的产物经酸处理除去易溶物，再经过滤、洗涤、烘干，即得。该碳材料不仅具有超大比表面而且具有良好的电化学性能，作为燃料电池催化剂，在对甲醇氧化中电催化的活性要明显优于传统的商业Pt/C催化剂，并具有良好的稳定性和较长的使用寿命，为进一步开发出具有实用价值的碳基电极材料提供了有价值的研究成果。

技术领域

本发明涉及一种含杂原子碳材料的制备，尤其涉及一种混合熔融盐法制备含杂原子碳材料的方法，主要作为催化剂用于制备燃料电池电极，属于材料技术领域和甲醇燃料电池技术领域。

背景技术

燃烧电池是一种可以将化学能直接转换成电能的电化学反应装置，是一种绿色能源技术。燃料电池是唯一同时兼具无污染、高效率、适用广、无噪声和可连续工作的动力装置，因而目前受到科学工作者的普遍重视，被认为是21 世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。由于其优异的特性，从80年代开始，各种小功率燃料电池在国防、航天和民用的移动电站、分立电源、潜艇、电动车、计算机与通信等众多领域中得到应用。通过多年的研究与开发，燃料电池的价格现在已有较大下降，且近年来由于对能源在环境保护方面的要求， 进一步激发了人们对燃料电池技术的兴趣，使其得到了更迅速的发展和应用。

甲醇是一种易燃液体， 燃烧性良好，辛烷值高，抗爆性能好。甲醇又是一种洁净燃料，燃烧时无烟，燃烧速率快，排气污染少。国外正大力推广使用甲醇取代汽油。直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell ,简称为DMFC)无需将甲醇转变成氢源，利用甲醇直接在电极上反应转变成电能。直接甲醇燃料电池使用液体燃料甲醇，使体积变小，是最有希望成为电动汽车电源的化学电源。国内外正广泛开展直接甲醇燃料电池的研究。美国在华盛顿特区特别成立了美国甲醇研究(American Methanol Institute)， 其主要目的之一是推动发展直接甲醇燃料电池。

电极催化剂是燃料电池重要的组成部分，直接影响燃料电池的性能、效率、稳定性及使用寿命。直接影响燃料电池的性能、效率、稳定性及使用寿命。目前，所用的电催化剂主要是Pt、Pd、Rh、Ag、Ru等金属催化剂。其中Pt金属具有未填满的d电子轨道，表面极易吸附反应物，并且强度适中，有利于形成高活性的中间产物，同时，还具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优良特性，是目前应用最广泛的电极催化剂之一。但金属Pt是稀有金属，价格昂贵，且反应过程中所产生的CO等中间产物极易使催化剂中毒而失去催化活性。因而，寻求具有高催化活性、抗CO毒化，而且价格低廉的新型催化剂具有十分重要的意义。

在催化剂中，Vulcan XC-72是最为广泛使用和最成功的碳载体材料（BET表面积为254m²/g，电导为0.25S/cm）。但是，实验发现，它也有许多不足，例如：BET表面积较小（254m²/g），性能不高，易团聚，从而影响催化剂的性能等。因此开发新型碳材料的研究已经得了人们的高度关注。

在碳材料中掺杂的杂原子主要有氮(N)、硼(B)、硫(S)等杂原子，掺杂后合成的碳材料导电性、PH值和电子结构等发生了显著变化，同时很好的保留了原有的物理和化学性质。在这些杂原子中，由于在元素周期表中，N元素与C元素在同一周期且相邻，半径接近，因此氮原子的参杂可以使碳材料的晶格发生很小变化。理论和实验研究都显示氮是在所有掺杂元素中最理想的元素之一。当氮原子掺杂入碳材料后，会使碳材料中的电荷密度增加，从而增加碳材料的导电性。

动物骨头为原料制备的碳材料与Vulcan XC-72相比，不仅含有大量的氮元素，而且具有非常大的比表面积（BET表面积为2967 m²/g）和良好的分散性。在对甲醇氧化中电催化的活性要高于传统的商业Pt/C (20 wt %)催化剂，同时具有良好的稳定性和较长的使用寿命, 从而实现了降低催化剂成本的目的，并延长了催化剂的使用寿命。

发明内容