[发明专利]一种具有分级孔、氮硫双掺杂非金属碳基氧还原催化剂及制备

说明书

一种具有分级孔、氮硫双掺杂非金属碳基氧还原催化剂及制备，属于催化剂技术领域。通过简易的方法合成了一种氮、硫、碳均匀分布的有机聚合物，并进一步高温煅烧,同时完成碳化、氮化和硫化过程，制备出氮、硫双掺杂型的分级孔碳材料。该材料在未使用模板的情况下具有分级孔的结构，比表面积大、合成方法简单、原料易得、成本低廉，而且具有高效的氧还原反应催化活性和良好的稳定性。在金属‑空气电池，可再生燃料电池等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及氮硫双掺杂、具有分级孔的非金属碳基氧还原催化材料的制备方法，具体涉及一种利用含碳、氮、硫的材料作为反应物，然后经前聚合和高温煅烧热解的方法获得具有氧还原催化性能的碳材料电催化剂，在金属-空气电池、可再生燃料电池等领域具有广阔的应用前景，属于催化剂技术领域。

背景技术

金属-空气电池具有超高的能量密度被认为是最有发展前景的能源存储与转换装置之一。金属-空气电池是以轻质金属作为负极活性物质,以空气中的氧气作为正极活性物质,氧气通过气体扩散电极到达气-液-固三相界面与金属负极反应而放出电能。阴极电化学氧还原反应的缓慢动力学是影响金属-空气电池性能的关键因素，因此需要氧还原反应催化剂进行催化。

目前金属-空气电池正极氧电极催化剂以Pt、Ru、Au等贵金属及其合金为主。贵金属如Pt/C，IrO₂/C等虽然催化性能高，但是价格昂贵、资源稀缺、稳定性差，从而限制了其商业化发展与应用。研究表明功能化后的碳材料可以催化氧还原反应的进行，通过掺杂氮、硫杂原子制备出的碳材料非金属催化剂不仅具有良好的催化效果，而且原料成本低且易得，稳定性好，杂原子掺杂的碳材料催化剂因此成为了氧还原催化剂的重要研究方向。然而，掺杂量低，掺杂源不均匀分布制约了碳材料催化剂性能的进一步提高。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：通过成碳前驱体的分子级设计，将氮源、硫源和碳源均匀的分布于前驱体中，有效解决了掺杂元素分布不均匀的难题。同时通过成碳前驱体的结构设计，提高掺杂型碳材料的孔隙率与比表面积。有机聚合物经高温碳化获得了同时具有高效的氧还原反应催化性能与良好的稳定性的氮硫双掺杂、具有分级孔的非金属碳基氧还原催化剂。该材料在未使用模板的情况下同时具有微孔、介孔和大孔的分级孔结构，比表面积可达到1261.0214m²/g，合成方法简单、原料成本低廉，解决了金属-空气电池催化剂催化性能不高，稳定性差，成本高难以大规模推广的问题。

本发明是通过以下方式实现的，一种具有分级孔、氮硫双掺杂非金属碳基氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)使用氮源、硫源、碳源直接合成含有氮、硫、碳均匀分布的的有机聚合物材料，称取一定量的氮源、硫源、碳源，混合并分散于溶剂中，加入催化剂，待溶剂蒸干，然后转移到反应容器中升到一定温度保持一段时间聚合获得含碳、氮、硫的有机聚合物材料；

步骤2)将合成的含碳、氮、硫的有机聚合物材料转移到瓷舟中，并放入高温管式炉中高温煅烧一段时间，自然冷却即获得氮硫双掺杂非金属碳基氧还原催化剂。

进一步优选：

步骤1)，所述硫源为选自1,3,5-苯三硫酚、三聚硫氰酸、2,5-二氨基-1,4-苯二噻吩二盐酸盐中的一种、两种或两种以上。

步骤1)中所述氮选自三聚氯腈、三聚硫氰酸、三聚氰胺的一种、两种或两种以上。

氮源和硫源可以为同一物质如三聚硫氰酸，也可以是两种不同的物质。

步骤1)，所述碳源为环糊精、碳纳米管、石墨烯中的一种、两种或两种以上。

步骤1)，硫源、氮源和碳源的物质的量之比范围为(10-30):(10-30):1，优选(12-20):(12-20):1，更优选(13-15):(13-15):1。

步骤1)，所述的溶剂优选为水去离子水、乙醇中的一种或两种；