[发明专利]硫掺杂纳米碳笼及其制备方法和燃料电池催化剂

说明书

本发明涉及新型纳米碳材料技术领域，公开了一种硫掺杂纳米碳笼，该纳米碳笼具有微孔结构和介孔结构，所述纳米碳笼的BET比表面积大于500m²/g，微孔内比表面积占总比表面积的比例低于30％；所述纳米碳笼的总孔体积大于1cm³/g，微孔孔体积占总孔体积的比例小于15％；由X射线光电子能谱测得所述纳米碳笼表面的碳的质量百分含量为80‑98％，硫的质量百分含量为0.1‑10％。该硫掺杂纳米碳笼具有较高比表面积和大量的介孔结构，可作为载体应用于燃料电池催化剂中；本发明提供的方法能够简单、高效地实现硫掺杂纳米碳笼的制备，制得的硫掺杂纳米碳笼结构完整，且生产成本低，有利于大规模应用。

技术领域

本发明涉及新型纳米碳材料技术领域，具体涉及硫掺杂纳米碳笼及其制备方法和燃料电池催化剂。

背景技术

碳纳米笼是一种十分独特的新型纳米石墨结构，其具有近似于富勒烯的独特中空结构和较为可控的纳米尺寸，这种独特的空心多孔纳米石墨结构能赋予该材料一系列独特的物理化学性质，有望应用于工业催化、电化学储能、药物载体、光学器件等诸多领域。

多级孔纳米碳材料是一类集成了具有不同尺寸的微孔(小于2nm)、中孔(2-50nm)或大孔(大于50nm)等不同孔结构的新型多孔纳米碳材料。与常规单一孔结构的碳材料相比，多级孔碳材料除了具有高孔隙率特征外，还具有独特的三维连通孔道结构，因此，其在能源存储和转化领域具有显著的应用优势。一方面，多级孔碳材料丰富的孔结构可增加其电化学活性表面积，从而提高本征活性；另一方面，其构筑的三维连通孔道可提供多方向、高通量离子输运通道，从而加快表/界面电化学反应动力学。

多级孔结构虽然在一定程度上实现了对孔结构的精细调控，但是大部分多级孔碳材料的骨架主要由sp2和sp3杂化的碳原子组成，组分单一，导致其功能匮乏，制约了其在能源储存与转换及催化领域应用性能的进一步提升和突破。充分利用其三位联通孔道的结构优势，在碳骨架及表面引入其它原子，是提升其能源储存与转换及催化等性能的有效途径。杂原子的引入可以调控其表面化学结构，弥补骨架单一碳组分功能受限的不足，进而提高本征活性。

在目前的研究中，碳材料的掺杂一般通过先制备一定结构的碳材料，再通过碳材料与含杂原子的化合物混合、烘干、煅烧、酸洗纯化、再烘干等多个步骤制得，该过程操作步骤繁琐，生产成本较高，且易破坏碳材料的原有结构。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有碳材料的掺杂步骤繁琐，生产成本较高，且易破坏碳材料原有结构的问题，提供一种硫掺杂纳米碳笼及其制备方法和燃料电池催化剂，通过本发明提供的方法能够简单、高效地实现硫掺杂纳米碳笼的制备，该硫掺杂纳米碳笼具有较高比表面积和大量的介孔结构，可作为载体应用于燃料电池催化剂中。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种硫掺杂纳米碳笼，所述纳米碳笼具有微孔结构和介孔结构，所述纳米碳笼的BET比表面积大于500m²/g，微孔内比表面积占总比表面积的比例低于30％；所述纳米碳笼的总孔体积大于1cm³/g，微孔孔体积占总孔体积的比例小于15％；由X射线光电子能谱测得所述纳米碳笼表面的碳的质量百分含量为80-98％，硫的质量百分含量为0.1-10％。

本发明第二方面提供一种硫掺杂纳米碳笼的制备方法，所述制备方法包括下述步骤：

(1)前驱体制备：提供含有镍源、多元有机羧酸、硫源和溶剂的均相溶液，然后将所述均相溶液中的溶剂除去，得到络合物前驱体材料，其中，所述硫源选自第IA族的硫酸氢盐和/或硫酸盐；

(2)焙烧：在惰性气氛保护下，将步骤(1)得到的络合物前驱体材料进行恒温焙烧，所述恒温焙烧的温度为450-700℃，得到热解产物；

(3)酸洗：提供含有步骤(2)得到的热解产物的水溶液，并与酸接触反应，然后固液分离、洗涤并干燥。