[发明专利]氮掺杂多孔碳非金属催化剂及其制备方法和在氧化还原反应中的应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂多孔碳非金属催化剂及其制备方法和在氧化还原反应中的应用，属于能源和纳米材料制备技术领域。该方法通过水热聚合结合高温碳化掺杂的工艺来制备非金属氮掺杂多孔碳催化剂。该非金属氮掺杂多孔碳催化材料在碱性电解液中表现出与商业铂碳催化剂相近的氧还原反应电催化活性，以及优于商业铂碳催化剂的稳定性和抗甲醇能力。本发明所采用的工艺简单，原料来源广，有望实现高效且低成本的规模化生产。本发明的氧还原反应电催化剂可应用于碱性燃料电池和金属‑空气电池阴极材料等领域。

技术领域

本发明涉及能源和纳米材料制备技术领域，具体涉及一种氮掺杂多孔碳非金属催化剂及其制备方法和在氧化还原反应中的应用。

背景技术

随着人类文明的飞速发展，能源消耗量飞速攀升。利用传统化石燃料——如石油、煤、天然气，作为国家能源供给的方案，面临诸多问题。首先，化石能源储量有限。其次，化石能源燃烧会产生大量温室气体。研究表明，温室气体的大量排放是导致近年来全球变暖的主要原因。再者，化石能源的分布极其不均衡。在国际局势日益紧张的今天，实现能源独立，对国家安全意义重大。因此，一个灵活的分布式能源方案亟待被提出。

氢能源是一种易于实现分布式能源方案的二次能源。燃料电池作为氢能源落地的关键一环，受到世界各国的广泛关注。其作为一种能源转换装置，利用氢气与氧气反应生成水，同时放出热能与电能，具有工作温度低、无污染、质量能量密度高等优点。但燃料电池的阴极反应相较于其阳极反应一般要慢六个数量级，需要较大过电势来使反应进行，也就导致其能量利用效率无法足够高。铂及其合金作为目前广泛商用的氧还原反应电催化剂，仍存在着储量稀缺、价格高昂和易中毒等缺点，阻碍了燃料电池在全世界范围内的商业推广。现有研究表明，非金属碳基材料有望突破铂基材料的上述缺陷，从而发展出兼备高活性、强稳定性、抗甲醇能力、价格低廉以及来源丰富等多种特点的新型高效催化材料。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种氮掺杂多孔碳非金属催化剂及其制备方法和在氧化还原反应中的应用，该催化剂为非金属碳基催化剂，通过将原料依次进行水热聚合和高温碳化反应，获得具有丰富孔结构的氮掺杂多孔碳催化剂材料。该催化材料不使用任何贵金属，甚至能够做到无金属，且原料来源丰富，解决了燃料电池规模化生产后可能面临的生产成本及质量稳定性问题。特别的，该非金属催化材料能达到与目前商业铂碳同等水平的催化性能，及更优异的稳定性和抗甲醇性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种氮掺杂多孔碳非金属催化剂，该催化剂具有三维的层级孔结构，层级孔结构包括互相黏连的葡萄糖碳球之间形成的介孔和碳球上的微孔，所述葡萄糖碳球的尺寸为100-300nm。

所述层级孔结构包含了具有不同孔径的孔，所包含的孔径范围为0.1-1nm、2-5nm和50-100nm。

该催化剂X射线衍射图谱在10-30°范围内存在宽衍射峰，55°处有衍射峰。所述氮掺杂多孔碳非金属催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)水热聚合：配置葡萄糖溶液于120-250℃温度下、压力0.5-3MPa下进行水热聚合反应，反应时间4-24h；经离心、洗涤和干燥后获得前驱物碳球；

(2)高温碳化：将步骤(1)所得前驱物碳球、氮源和锌盐研磨混合后置入管式炉中，预先惰性气氛保护1-3h，再加热到800-1000℃温度下保温0.5-4h后，随炉冷却，即得到所述氮掺杂多孔碳非金属催化剂。

上述步骤(1)中，所述葡萄糖溶液的溶剂为水，葡萄糖溶液的浓度为0.01～2.0mol/L。

上述步骤(1)中，所述干燥温度为50-100℃，干燥时间为5-30h。

上述步骤(2)中，所述前驱物碳球、氮源和锌盐的重量比例为(1-2)：(10-20)：(1-4)。