[发明专利]一种Ce-N共掺杂二维多孔碳材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种Ce‑N共掺杂二维多孔碳材料的制备方法，通过使用一种水溶液介导法合成Ce‑N共掺杂的叶片状多孔碳材料。本发明制得的产品为二维结构，且由于Ce的掺杂获得了更多的缺陷位点，能够吸附更多O₂，使得其催化活性高于商业Pt/C催化剂，在催化剂的开发中展示了新的方向和应用前景，有望作为阴极材料取代Pt/C催化剂用于质子交换膜燃料电池中。

技术领域

本发明属于纳米碳材料领域，具体涉及一种Ce-N共掺杂二维多孔碳材料的制备方法。

背景技术

近年来，质子交换膜燃料电池和电催化的改性引起人们广泛地关注。由于阴极反应过程的缓慢动力学，抑制了燃料电池的快速发展。Pt/C催化剂在该体系中的引入可以有效提高质子交换膜燃料电池性能，但是Pt/C价格昂贵且稳定性及耐甲醇性能差，所以急需设计一种非贵金属掺杂的碳材料来作为催化剂促进氧气还原反应；但作为非贵金属掺杂的碳材料ZIF(类沸石咪唑骨架材料，简称ZIF，主要以Zn或Co离子与咪唑或咪唑衍生物等有机配体自组装形成的)衍生物，由于在高温下不稳定，易坍塌成块状，破坏形貌及孔结构，导致其比表面积大幅减少，电催化性能远低于Pt/C。

发明内容

本发明的目的在于提出一种Ce-N共掺杂二维多孔碳材料的制备方法，该制备方法简单，制作成本低廉，有望应用于质子交换膜燃料电池中。

本发明采用如下技术方案：

一种Ce-N共掺杂二维多孔碳材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将Zn(NO₃)₂·6H₂O和Co(NO₃)₂·6H₂O溶解于溶剂中形成A溶液，将2-甲基咪唑和Ce₂(OH)₄SO₄·2H₂O溶解在溶剂中形成B溶液，然后将两种溶液混合、搅拌得到混合溶液，所述混合溶液静置过夜；

(2)步骤(1)所述混合溶液静置过夜后经离心、淋洗及真空干燥得到淡紫色固体粉末；

(3)将步骤(2)所述淡紫色固体粉末在惰性气体下碳化得到Ce-N共掺杂的二维多孔碳材料。

进一步的，步骤(1)中所述Co(NO₃)₂·6H₂O和Zn(NO₃)₂·6H₂O质量比为1：0.25～4；所述Ce₂(OH)₄SO₄·2H₂O和2-甲基咪唑的质量比1:5～10；所述2-甲基咪唑质量与Zn(NO₃)₂·6H₂O、Co(NO₃)₂·6H₂O两种金属盐总质量比为1:2～5。

进一步的，步骤(1)中所述溶剂为甲醇和水组成的混合溶剂，所述水的体积与甲醇体积比为1:0～0.67。

进一步的，步骤(1)中所述两种溶液的混合方式为将A溶液加入至搅拌的B溶液中。

进一步的，步骤(1)中搅拌温度为室温，搅拌时间为2h～5h。

进一步的，步骤(2)所述干燥时间为3～6h，干燥温度为40～80℃。

进一步的，步骤(3)所述碳化过程为惰性气体以2～5℃/min升温速率加热至650℃～1050℃，保温2～6h。

进一步的，所述惰性气体为氩气或氮气。

附图说明

图1是Ce掺杂的二维叶片状ZIF扫描电镜图；