氮掺杂纳米碳笼及其制备方法和应用.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115966714A(43)申请公布日2023.04.14(21)申请号202111172264.1(22)申请日2021.10.08(71)申请人中国石油化工股份有限公司地址100728北京市朝阳区朝阳门北大街22号申请人中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院(72)发明人宗明生谢婧新荣峻峰于鹏吴耿煌林伟国(74)专利代理机构北京润平知识产权代理有限公司11283专利代理师刘国平顾映芬(51)Int.Cl.H01M4/92(2006.01)H01M4/88(2006.01)权利要求书2页说明书13页附图6页(54)发明名称氮掺杂纳米碳笼及其制备方法和应用(57)摘要本发明涉及新型纳米碳材料技术领域，公开了一种氮掺杂纳米碳笼及其制备方法，以及该氮掺杂纳米碳笼在燃料电池催化剂载体和/或燃料电池催化剂中的应用，所述氮掺杂纳米碳笼具有中空笼状的结构，所述氮掺杂纳米碳笼的直径为2‑200nm；以氮的总摩尔量为基准，由X射线光电子能谱测得所述氮掺杂纳米碳笼的表面的氮中，吡咯氮和/或吡啶氮的摩尔含量大于80％。该氮掺杂纳米碳笼应用于燃料电池催化剂载体和/或燃料电池催化剂中时，表现出良好的催化活性。CN115966714ACN115966714A权利要求书1/2页1.一种氮掺杂纳米碳笼，其特征在于，所述氮掺杂纳米碳笼具有中空笼状的结构，所述氮掺杂纳米碳笼的直径为2‑200nm；以氮的总摩尔量为基准，由X射线光电子能谱测得所述氮掺杂纳米碳笼的表面的氮中，吡咯氮和/或吡啶氮的摩尔含量大于80％。2.根据权利要求1所述的氮掺杂纳米碳笼，其中，所述氮掺杂纳米碳笼的直径为2‑100nm，优选为5‑50nm，更优选为5‑20nm；和/或，以氮的总摩尔量为基准，由X射线光电子能谱测得所述氮掺杂纳米碳笼的表面的氮中，吡咯氮和/或吡啶氮的摩尔含量大于90％；和/或，由X射线光电子能谱测得所述氮掺杂纳米碳笼的表面的氮中，吡咯氮与吡啶氮的摩尔比值大于2，优选大于3；和/或，以氮的总摩尔量为基准，由X射线光电子能谱测得所述氮掺杂纳米碳笼的表面的氮中，吡咯氮的摩尔含量为85.8‑100％，吡啶氮的摩尔含量为0‑14.2％。3.根据权利要求1或2所述的氮掺杂纳米碳笼，其中，由X射线光电子能谱测得所述氮掺杂纳米碳笼的表面的碳的摩尔含量为89‑92％，氮的摩尔含量为1‑3％，氧的摩尔含量为5‑10％。4.根据权利要求1或2所述的氮掺杂纳米碳笼，其中，所述氮掺杂纳米碳笼具有双介孔分布峰，且双介孔分布峰分别对应第一最可几孔径和第二最可几孔径，所述第一最可几孔径为3.5‑4纳米，所述第二最可几孔径为6‑9.5纳米。5.根据权利要求1或2所述的氮掺杂纳米碳笼，其中，所述氮掺杂纳米碳笼的BET比表面积大于300m2/g，总孔体积大于0.6cm3/g；优选地，所述氮掺杂纳米碳笼的BET比表面积大于460m2/g，总孔体积大于0.7cm3/g。6.根据权利要求1或2所述的氮掺杂纳米碳笼，其中，所述氮掺杂纳米碳笼的拉曼曲线中，ID/IG的范围为0.2‑1，优选为0.3‑0.8。7.一种氮掺杂纳米碳笼的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)提供含有过渡金属盐、含氮有机羧酸和溶剂的溶液，然后干燥得到前驱体，其中，所述含氮有机羧酸为乙二胺四乙酸；以过渡金属元素计的所述过渡金属盐与含氮有机羧酸的摩尔比为1：0.5‑1；(2)在惰性气氛或还原气氛下，将步骤(1)得到的前驱体进行高温热解，所述高温热解的温度为850‑1000℃，得到热解产物；(3)对所述热解产物进行酸洗，然后进行固液分离、洗涤并干燥。8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，步骤(1)中，以过渡金属元素计的所述过渡金属盐与含氮有机羧酸的摩尔比为1：0.6‑0.9。9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述过渡金属盐选自过渡金属的有机酸盐、过渡金属的碳酸盐和过渡金属的碱式碳酸盐中的至少一种，优选为过渡金属的碳酸盐和/或过渡金属的碱式碳酸盐；和/或，所述过渡金属为Ⅷ族金属，优选为铁、钴、镍和铜中的至少一种，更优选为镍。10.根据权利要求7或8所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述溶剂为水。11.根据权利要求7或8所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述高温热解的温度为850‑950℃；和/或所述高温热解的过程包括：以0.5‑30℃/min优选以1‑20℃/min进一步优选以5‑10℃/2CN115966714A权利要求书2/2页min的速率升温至所述高温热解的温度，然后保持恒温；和/或，恒温的时间为20‑600min，优选为60‑480min；和/或，所述高温热解的过程包括：先以1‑20℃/min的速率优选以5‑10℃/min的速率升温至