[发明专利]基于三维网状氮磷硫共掺杂多孔碳材料的氧还原电极及制备方法与应用

说明书

本发明涉及基于三维网状氮磷硫共掺杂多孔碳材料的氧还原电极及制备方法与应用，该氧还原电极包括有三维网状氮磷硫共掺杂多孔碳材料，三维网状氮磷硫共掺杂多孔碳材料的制备包括如下步骤：S1：将苯胺、六氯环三磷腈和硫脲在高于大气压的反应压力下进行密闭反应；S2：反应结束后，泄压至常压，去除反应多余溶剂，得到样品；S3：将所述样品在惰性气体保护下进行高温处理，从而得到所述三维网状氮磷硫共掺杂多孔碳材料。所述三维网状氮磷硫共掺杂多孔碳材料具有优异的电学性能，可用来制备燃料电池的氧还原电极，从而可用于燃料电池中，并表现出了良好的电化学性能，在电化学领域具有巨大的应用潜力和工业价值。

技术领域

本发明提供了一种复合材料及其制备方法、用途和由其制得的电极，更具体而言，提供了一种基于三维网状氮磷硫共掺杂多孔碳材料的氧还原电极及制备方法与应用，属于无机功能材料领域。

背景技术

目前，传统能源(如天然气、石油、煤)日益枯竭，且对环境污染严重，迫切需要开发绿色环保、可再生的新能源。燃料电池作为一种清洁的能量转换装置，能量转换率高，且安全，因此备受科研人员关注。铂基催化剂作为燃料电池阴极氧还原的主要电催化剂，因其稳定性差、资源有限、成本高等而受限制。因此，寻找廉价活性高、稳定好的催化剂倍受关注。近几年来，具有高比表面积，优异的导电性和稳定性的碳材料例如碳纳米管、介孔碳等已被广泛地应用于燃料电池方面，例如：

CN105206849A公开了一种酸碱性条件下都具有电催化氧还原活性氮硫共掺杂碳材料及制备方法，属于新材料应用技术领域。其工艺过程如下：将干净的动物毛发装入反应釜内衬，加入分析纯氨水，进行水热降解反应，水热降解得到的溶液烘干后研磨，得到生物有机固体粉末，固体粉末溶于甲醇后加入硝酸锌得到的悬浮液磁力搅拌均匀后倒入反应釜内衬，溶剂热过程结束后，通过离心分离得到金属有机配位聚合物作为前驱体，前驱体在惰性气氛下热处理；所得样品用稀盐酸清洗，抽滤、干燥，制得氮硫共掺杂碳材料。该材料具有较大的比表面积和丰富的孔结构；该方法制得的氮硫共掺杂的碳材料在酸性与碱性条件下对燃料电池阴极氧还原催化表现出优异的性能。

CN106881138A提供了一种氮磷共掺杂的生物质碳材料的制备方法，是以廉价易得的生物质壳聚糖为碳源和氮源(同时也作为含氮配体)，以有机磷化合物三苯基膦为含磷配体，先使两种配体在金属盐的溶液中与金属离子形成配合物，然后用ZnCl2作为活化剂，在氮气气氛中将配合物高温热解造孔，最后再用稀盐酸去除金属进行二次造孔，制得具有丰富的微孔和介孔结构、高比表面积的氮、磷共掺杂的生物质碳催化剂，该催化剂在碱性环境下的催化性能与商业Pt/C(20％)相当，而且具有良好的抗甲醇毒化能力和稳定性；且能够在分子水平上调变催化剂的组成和性能，是一种有望代替商业Pt/C的阴极氧还原催化剂，具有非常好的工业应用前景。

CN104953133A提供了一种具有高氧还原催化活性的氮、硫共掺杂碳微球的制备方法，其主要是在氮气保护下，将碳源、氮源、硫源和分析纯的表面活性剂依次加入到不锈钢反应釜中搅拌后密封，置于坩锅炉中加热，待反应釜自然冷却到室温，取出混合物；洗涤，过滤上述混合物，将所得的粉末置于真空干燥箱中干燥，将所得产物与分析纯氢氧化钾粉末混合均匀，在氩气氛围下活化处理，再用蒸馏水洗涤，最后置于真空干燥箱中真空干燥。本发明工艺简单、反应条件温和、重复性高、成本低，所得产品在碱性环境下氧还原催化性能优异，催化活性较高，稳定性好，甲醇和一氧化碳耐受性较好，在燃料电池催化剂方面有着巨大的应用潜力。

CN105457666A提供了一种氮磷共掺杂多孔碳催化剂的制备方法及其应用，属于燃料电池阴极氧还原催化剂领域。本发明采用原位掺杂法引入氮和磷，通过调控氮磷前躯体的含量改变氮磷掺杂量，另外，采用硬模板法来制备氮磷共掺杂多孔碳，可通过调控硬模板来实现多孔碳的孔径可控。本发明所述方法为：制备苯胺单体、磷前驱体、硅基硬模板、非贵金属盐的前期聚合物；将前期聚合物煅烧得到固体；固体经过刻蚀、清洗、干燥后得到本发明所述的碳材料。更重要的是，所制备的氮磷共掺杂多孔碳材料在酸性条件下具有良好的氧还原电催化性能，具有很大应用潜力。