[发明专利]一种钴-氮掺杂二维介孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种钴‑氮掺杂二维介孔碳材料及其制备方法和应用。所述钴‑氮掺杂二维介孔碳材料具有二维片层结构，并且含有介孔。本发明的钴‑氮掺杂二维介孔碳材料作为氧还原催化剂，可以在提高材料电催化性能的同时，增强其循环稳定性。

技术领域

本发明属于介孔材料技术领域。具体地，本发明涉及一种介孔碳材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种钴-氮掺杂二维介孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池具有众多优点，例如能量转化效率高、绿色环保、输电能力回升速度快、体积小、拆装方便等。其由负极(即燃料电极)、正极(即氧化剂电极)及电解质组成。燃料电池的正、负极是催化转换元件。

催化剂是燃料电池的核心部分，其成本可达燃料电池成本的30％以上。现在，在低温燃料电池中广泛是用的催化剂是铂催化剂。在低温燃料电池中，铂催化剂也被证明是催化剂的最佳活性组分。但是，铂催化剂价格昂贵。

介孔材料作为一种新的固体多孔材料，不仅具有孔道大小均一、排列有序、孔径可以在2-50nm内连续调节等重要特征，而且还具有较大的孔容、高的比表面积、孔道表面可进行物理吸附或化学吸附及较好的水热稳定性等特点。其在催化、吸附分离和电极材料等许多领域得到广泛的研究和应用。

模板方法是合成介孔材料的经典方法，它基于主客体模板效应。石墨烯作为一种常用于介孔材料制备中的二维模板，具有非常优异的性能。例如其良好的各向异性和导电性使其广泛应用于锂离子电池、超级电容器、氧还原催化剂。然而，石墨烯制作成本高，可控性不好，影响了所得材料的一致性。

因此，本领域中一直在寻找一种低价、高效、稳定的可以代替铂碳的氧还原催化剂及其可控性好的制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供低价、高效、稳定的可以代替铂碳的氧还原催化剂以及制备方法以克服现有技术中存在的上述缺陷。

本发明所要解决的问题通过以下技术方案得以解决。

根据本发明的一个方面，提供一种钴-氮掺杂二维介孔碳材料，其具有二维片层结构，并且含有介孔。

根据本发明的另一方面，提供制备上述钴-氮掺杂二维介孔碳材料的制备方法，其包括以下步骤：

i)：提供Co(OH)₂纳米片；

ii)：提供钴-氮掺杂二维介孔碳材料：使Co(OH)₂纳米片、苯胺和过硫酸铵在溶剂中反应，将得到的固体产物分离，干燥，然后在惰性气体下热处理，刻蚀，以得到钴-氮掺杂二维介孔碳材料。

根据本发明的又一方面，提供上述钴-氮掺杂二维介孔碳材料作为氧还原催化剂的用途。

本发明的钴-氮掺杂二维介孔碳材料中，所掺杂的氮包括吡啶型氮、石墨型氮和吡咯氮，主要为吡啶型氮和石墨型氮，大大增加了材料的电化学活性位点和导电性，可提高在电化学应用中材料的稳定性。二维介孔结构能提高材料的比表面积，提供更多的电化学活性位点，能有效地提高材料的催化性能。

本发明的钴-氮掺杂二维介孔碳材料的制备方法利用前驱体通过模板法制备材料，并通过一步热处理方法进行氮掺杂，实现了在氮掺杂的同时形成二维介孔结构。本发明的制备方法不需要用到复杂的设备，操作简单，成本低。

本发明的钴-氮掺杂二维介孔碳材料作为氧还原催化剂，可以在提高材料电催化性能的同时，增强其循环稳定性。本发明的钴-氮掺杂二维介孔碳材料可用于燃料电池和空气电池的正极材料中，也可以应用于锂离子电池、钠电池、镁电池的负极材料中，还可用于电催化产氧和超级电容器中。

附图说明

图1是实施例1制备的钴-氮掺杂二维介孔碳材料的透射电子显微镜照片。