[发明专利]一种具有核壳结构的异原子掺杂石墨烯/炭基材料的制备方法及产品

说明书

本发明涉及一种具有核壳结构的异原子掺杂石墨烯/炭基材料的制备方法及产品，属于材料技术领域，该方法为类模板法，以炭基材料为核，氧化石墨烯为壳，通过阳离子表面活性剂为桥梁，连接炭基材料和氧化石墨烯，最后加入异原子源，通过旋蒸干燥后高温煅烧使得氧化石墨烯转化为异原子掺杂石墨烯，使最终制备的材料呈包裹状结构，且具有高氧还原催化活性和多孔性。该材料中炭基材料作为电流收集器，表面均匀分布的异原子掺杂石墨烯作为氧还原活性位点，保证最终制备的材料具有高氧还原催化活性及优异的导电性，有利于催化剂内部氧气、电子的扩散和传输速率，提高其氧还原性能。且该材料制备工艺简单、成本低，适合大规模工业化生产。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种具有核壳结构的异原子掺杂石墨烯/炭基材料的制备方法及产品。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)是一种同步产能和污水处理的新技术，得到各国研究者的重点关注。然而，目前MFC设备的成本相对较高，极大地限制了其实际应用，其中，限制微生物燃料电池技术不能大规模应用的主要因素之一为应用于阴极催化剂的贵金属催化剂如Pt/C材料的价格昂贵。

新型碳纳米材料石墨烯因具有良好导电性以及较强的机械延展性等优异特性，现已被广泛应用于电化学领域。其中，氮掺杂石墨烯(NG)材料不但成本较低，而且具有良好的氧还原催化性能。目前，氮掺杂石墨烯的制备方法主要为硬模板法和软模板法。硬模板法制备的催化剂材料具有高比表面、较好的催化性能，但在制备过程中需要通过强酸腐蚀去除模板，步骤繁琐，且成本较高；软模板法虽克服了硬模板法中模板去除的困难，但在制备过程中氧化石墨烯结构会发生坍塌，从而降低材料的催化性能。

因此，急需一种制备工艺简单、成本低及催化性能优异的催化剂制备方法及产品。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种具有核壳结构的异原子掺杂石墨烯/炭基材料的制备方法；目的之二在提供一种具有核壳结构的异原子掺杂石墨烯/炭基材料；目的之三在提供一种具有核壳结构的异原子掺杂石墨烯/炭基材料在微生物燃料电池中的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种具有核壳结构的异原子掺杂石墨烯/炭基材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将炭基材料均匀分散于阳离子表面活性剂溶液中，获得炭基材料分散液；

(2)将氧化石墨烯均匀分散于水中，获得氧化石墨烯分散液；

(3)将步骤(1)中获得的炭基材料分散液与步骤(2)中获得氧化石墨烯分散液混匀后，获得混合液，所述混合液中氧化石墨烯和炭基材料的质量比为1-20：1；

(4)向步骤(3)中获得的混合液中加入异原子源，搅拌均匀后经过旋转蒸发、干燥，制得异原子源-氧化石墨烯-炭基材料复合物，所述异原子源与混合液中氧化石墨烯的质量比为10-30:1；

(5)以惰性气体作为保护气，将步骤(4)中制得的异原子源-氧化石墨烯-炭基材料复合物研磨成粉末后置于管式炉中进行煅烧，然后将煅烧后的粉末洗涤、干燥，即可。

优选地，步骤(1)中，所述炭基材料为导电炭黑、乙炔黑、活性炭或碳纤维中的一种。

优选地，步骤(1)中，所述阳离子表面活性剂溶液中阳离子表面活性剂的质量分数为0.002-0.03％。

优选地，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基季铵溴化物、十八烷基二甲基苄基季铵氯化物、苯扎溴胺或十二烷基二甲基苄基溴化铵中的一种。

优选地，步骤(4)中，所述异原子源为氮源、硫源或磷源。

优选地，所述氮源为氰胺、尿素、三聚氰胺或聚苯胺中的一种；所述硫源为硫酸钾、硫酸钠、硫化钾或硫化钠中的一种；所述磷源为磷酸钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠或磷酸二氢钾中的一种。