[发明专利]一种氮、氟和过渡金属共掺杂石墨烯结构的碳材料及其一步碳化制备方法

说明书

本发明提供一种氮、氟和过渡金属共掺杂石墨烯结构的碳材料，以三聚氰胺、聚四氟乙烯、金属盐为原料，经混合、研磨均匀后，采用一步碳化法制备获得氮、氟和过渡金属共掺杂碳材料；所得碳材料呈现石墨烯或类石墨烯结构；氮、氟和金属元素分布均匀，具有优异的氧还原和氧析出性能。其一步碳化制备方法包括以下步骤：1）原料的混合；2）一步碳化法。本发明具有优异的氧还原和氧析出性能。同时，也可以通过调整氮、氟和过渡金属之间的协同效应，提高该类材料的氧还原和氧析出性能。本发明一步碳化法重复性好，工艺简单、易操作。在燃料电池和金属‑空气电池电极催化领域和功能碳材料方向具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及功能碳材料领域，具体涉及一种氮、氟和过渡金属共掺杂石墨烯结构的碳材料的制备方法。

背景技术

目前，化石燃料仍然为我们最主流的能源，其传统的能源利用方式，存在效率低和污染大两大弊病。这些弊病对全球生态、环境产生很大的负面影响。为了适应新时期的发展需求，时代迫切需要新型的能源和新的能源利用方式。氢能作为一种理想的清洁能源，近年来得到全球的广泛关注。氢氧燃料电池可以通过电化学反应，直接将氢能转化为电能，其产物只有水；它不受卡诺循环的制约，具有能量转换效率高和对环境的零污染的优势。这些优点使氢能源和燃料电池技术成为了新能源和新能源技术中的佼佼者。燃料电池技术虽然近些年取得了长足的进步，并开始逐渐商业化。但是，目前商业的燃料电池催化剂含有大量的贵金属铂，铂资源稀缺、价格昂贵，这些缺点将阻碍燃料电池进一步可持续的发展。因此，制备高活性的低铂或非铂催化剂，对于降低燃料电池成本，实现燃料电池大规模的商业化有重大意义。杂原子和过渡金属共掺杂的碳材料，由于杂原子和过渡金属之间的协同效应，使该类材料具有很好的氧还原（ORR）/氧析出（OER）性能，成为商业铂基催化剂最有潜力的替代者。该类非贵金属催化剂已经成为目前燃料电池催化剂领域的研究热点。

杂原子与过渡金属共掺杂的碳材料的研究很多，中国专利201710280405.9公开了一种含有氟、氮和碳元素的氧还原催化剂，该催化剂以三聚氰胺为氮源，甲醛为交联剂，引入六氟双酚A作为碳源和氟源，采用溶剂热法合成了兼具氟、氮、碳元素的氧还原催化剂，该催化剂的半波电位为0.79V左右。中国专利201510568447.3公开了一种采用冷冻干燥法制备具有三维立体大孔结构的低共熔盐，然后以低共熔盐为模板，掺杂氮，铁的催化剂，该催化剂表现出良好的氧还原催化活性，该铁、氮共掺杂催化剂的半波电位为0.83V。中国专利201810332317.3公开了一种以核黄素、醋酸钴、氯化钠为原材料，然后冷冻干燥，碳化得到钴、氮共掺杂多孔碳材料，该材料充分发挥了碳材料的氧还原催化性能，该催化剂的半波电位为0.8V。中国专利201810496378.3公开了一种以ZnO纳米片作为模板与锌源，2-甲基咪唑为有机配体，三乙酰丙酮铁为铁源，钴盐为钴源，采用溶剂热法制得了核壳结构的碳纳米片氧还原催化剂，该催化剂催化活性位点丰富，表现出良好的催化活性，该铁、钴、氮共掺杂催化剂的半波电位为0.81V。上述方法制备的非贵金属催化剂皆具备良好的氧还原催化活性，但还均存在如下不足：制备工艺复杂，制备环境要求高，所需设备较复杂，这些因素带来成本高，不适合大规模工业化等缺陷。

上述专利有氮、氟共掺杂的碳材料；有氮或氟和过渡金属共掺杂的碳材料。但是，将氮、氟两种强电负性杂原子和过渡金属共掺杂，并一步碳化制备出石墨烯结构的碳材料，直到目前尚未检索到相关的报道。其主要原因是氮、氟杂原子和过渡金属共掺杂石墨烯制备困难；如果要一步碳化成具有石墨烯结构的碳材料就更加困难了。

比较幸运的是，本专利选择了合适的前驱体，通过一步法制备了氮、氟杂原子和过渡金属共掺杂石墨烯，得到了一类优异的双功能催化剂。本专利所得催化材料在氧还原和氧析出方面均有优秀的性能，明显优于商业铂碳催化剂和上述相关催化剂的性能；且制备中一步碳化合成，工艺简单可控，所需设备简单，有利于大规模工业化生产。

发明内容