[发明专利]一种铁氮双掺杂碳纳米微球的制备方法及氧气还原应用

说明书

本发明提供了一种铁氮双掺杂碳纳米微球的制备方法及在氧还原中的应用。首先在碱性条件下以盐酸多巴胺合成氮源供应物聚多巴胺，然后包覆在四氧化三铁微球的表面。聚多巴胺包覆的四氧化三铁微球在高压反应釜中与葡萄糖反应,在氮气条件下，高温煅烧得到铁氮掺杂碳纳米微球。铁氮掺杂碳纳米微球的合成以葡萄糖为原料，以聚多巴胺包覆的四氧化三铁微球同时作为腐蚀模板和氮源来实现。铁氮掺杂碳纳米微球应用到电催化氧气还原反应（ORR）中有良好效果并具有良好的耐久性，其还原氧气的起始电位相对标准氢电极为0.949V，经过耐久性测试后效率依旧能够达到85%以上并且在加入甲醇后仍能维持94%的使用效率，具有良好的抗甲醇效果。

技术领域

本发明一种铁氮双掺杂碳纳米微球的制备方法及其在氧气还原中的应用，属于纳米材料、催化技术等技术领域。

背景技术

随着化石能源的急剧消耗以及环境污染问题的加剧，探寻清洁高效的新能源已成为目前研究的热点。高效能、低排放的燃料电池能源吸引了人们的普遍关注。然而在燃料电池反应的过程中因阴极的氧气还原动力学缓慢远远不及阳极氢氧化反应而使得燃料电池的效率受到了很大的限制。因此设计合成高效的氧气还原催化剂，对于促进燃料电池的发展具有重要意义。

由于独特的尺寸效应，纳米材料往往具有许多新颖的物理化学性质，并在多个领域表现出了良好的应用。纳米材料在能量存储与转换、催化等领域具有重要的应用，特别是在氧气还原反应方面的应用，为燃料电池的开发利用提供了新颖的催化材料。纳米材料因其在催化氧气还原方面的良好效果，各种纳米催化剂的设计与合成成为固体化学研究的重要领域，其中碳基材料具有优良导电性，同时又具有一个优良载体比表面积大和热稳定性高的特点，因此表现出成为催化剂载体的优势。文献1合成了碳基化合物PANI_O2_800(Carbon., 2017, 119, 62-71.) ,具有较大的比表面积584m2/g。随着人们对碳基材料性质了解的进一步深入，以及受益于当前发展的诸多纳米材料性能调控手段，碳基材料的应用领域与应用方式必将被大大拓宽，产生显著的社会效益和经济效益。

利用有效的化学手段对纳米材料进行修饰调控，往往可以实现其本征性能的改善，对于优化其功能具有实用操作价值和研究意义。诸多手段中，杂原子掺杂是一种有效且最为常见的性能调控手段，通过杂原子掺杂可以实现对材料导电性、催化活性、稳定性等性能的优化。例如文献2（Electrochimica Acta, 2017, 224，47-53）通过掺杂铁、氮实现碳材料结构性的改变，提升碳材料的导电性电流密度达到4.96 mA/cm2，实现了催化性能的优化，还原氧气的起始电位相对标准氢电极为0.919V；文献3（Energy & EnvironmentalScience, 2016, 9(4):1320-1326.）通过钴硫化合物在石墨烯中的掺杂，提升碳材料的导电性电流密度达到4.23 mA/cm2，实现了催化性能的优化，还原氧气的起始电位相对标准氢电极为0.84V。本发明通过铁氮对材料的掺杂，显著提高了碳材料的比表面积，电流密度以及催化活性，改进了本发明材料氧还原催化性能。

发明内容

本发明的技术任务之一是为了弥补现有技术的不足，提供一种铁氮双掺杂碳纳米微球的制备方法的制备方法，该方法所用原料成本低，制备工艺简单，反应能耗低，具有工业应用前景。

本发明的技术任务之二是提供该铁氮双掺杂碳纳米微球的用途，即将该铁氮双掺杂碳纳米微球作为氧气还原催化剂的应用，其还原氧气的起始电位相对标准氢电极为0.949V，耐久性测试后效率依旧能够达到85%以上，并且在加入甲醇后仍能维持94%的使用效率，具有良好的抗甲醇效果。

本发明的技术方案如下：

1. 一种铁氮双掺杂碳纳米微球的制备方法，包括以下步骤：