[发明专利]一种多孔碳材料的孔结构调控方法与应用

说明书

本发明属于多孔碳材料技术领域，具体公开了一种多孔碳材料的孔结构调控方法与应用。多孔碳材料的孔结构调控方法，包括以下步骤：将多孔碳材料和高氯酸溶液加入溶剂中，加热、混合、干燥，得预处理多孔碳材料；在保护气氛下进行热处理，冷却后，得调控后的多孔碳材料。本发明通过将多孔碳材料浸渍于高氯酸溶液中，使高氯酸溶液包覆于多孔碳材料的表面，并进入多孔碳材料的孔结构中，经热处理，碳材料表面及内部在高温下发生氧气与碳材料的原位氧化反应，以改变孔结构。并同时控制保护气体的流量、高氯酸溶液的浓度以及热处理的温度，实现了多孔碳材料的精准造孔，调控后的多孔碳材料在酸性和碱性电催化氧还原反应中具有更高的催化活性和稳定性。

技术领域

本发明属于多孔碳材料技术领域，具体涉及一种多孔碳材料的孔结构调控方法与应用。

背景技术

根据孔径，多孔材料分为三种：微孔(孔径小于2nm)、介孔(孔径在2-50nm之间)和大孔(孔径大于50nm)。多孔碳材料是指具有不同孔结构的碳素材料。近年来，包括碳纳米管、活性炭纤维、活性炭等在内的各式各样的碳材料被不断发现。这些碳材料拥有较大的比表面积，但仍然不能满足不同领域的多种需求。例如普通活性炭和碳纤维的孔组成主要以微孔为主，在燃料电池实际应用中不利于传质。微孔数目的增多能显著提高材料的比表面积和活性位点，但是微孔中很大一部分仍然是无序性的封闭孔或死孔。微孔过多，在电化学应用中会增加材料的电阻，阻碍电子传递。而介孔和大孔有利于降低传质阻力，提高传质效率。

目前，Pt基催化剂仍然是质子交换膜燃料电池(PEMFC)中应用最广泛的电催化剂，通常Pt基催化剂负载在导电的高比表面积的碳载体上，以提高Pt纳米粒子的分散度，进而提高PEMFC的性能。商业多孔碳载Pt纳米催化剂，其碳载体的孔结构分布直接影响催化剂Pt纳米粒子分散、催化剂层离聚物分布和高电流密度(HCD)下电池的性能。研究表明，碳载体中的微孔(2nm)不利于氧传输，而大一点的孔(8nm)结构不利于催化剂层离聚物分布，进而影响催化层质子传输。孔径为2-8nm的中孔区域利于3-4nm的Pt/PtCo催化剂纳米粒子分散，其中孔径4-7nm多孔碳最适宜Pt催化剂催化活性的表达。但4-7nm孔结构碳载体的制备不容易实现，这是降低Pt成本提高催化剂活性的重难点，也是催化剂制备“卡脖子”的技术。对于锂离子电池中碳材料，多孔碳具有大量的孔道结构和超高的比表面积，脱锂和嵌锂的位点丰富，具有良好的电子导电率和锂离子扩散系数，通过调节多孔碳的微介孔结构、调节电子排布，可以提高电化学性能。

因此，亟需研发一种多孔碳材料的孔结构调控方法，以获得最适宜提高电化学性能的微介孔结构。

发明内容

本发明提出多孔碳材料的孔结构调控方法与应用，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为克服上述技术问题，本发明的第一个方面提供了一种多孔碳材料的孔结构调控方法。

具体地，一种多孔碳材料的孔结构调控方法，包括以下步骤：

(1)将多孔碳材料和高氯酸溶液加入溶剂中，加热、混合、干燥，得预处理多孔碳材料；

(2)将所述预处理多孔碳材料在保护气氛下进行热处理，冷却后，得调控后的多孔碳材料。

本发明通过将多孔碳材料与高氯酸溶液加入溶剂中，高氯酸溶液将包覆于多孔碳材料的表面，并进入多孔碳材料的孔结构中，在加热的条件下，高氯酸进行分解，生成氧气、氯气和水，反应式为：4HClO₄→2H₂O+7O₂+2Cl₂，多孔碳材料的表面及孔结构内部在高温下将发生氧气与碳材料的原位氧化反应，使得孔体积增大。