过渡金属/氮共掺杂的空心碳球纳米材料的制备及其应用.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109378490A(43)申请公布日2019.02.22(21)申请号201710662881.7(22)申请日2017.08.04(71)申请人中国海洋大学地址266100山东省青岛市崂山区松岭路238号(72)发明人黄明华张晶晶(51)Int.Cl.H01M4/90(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图2页(54)发明名称过渡金属/氮共掺杂的空心碳球纳米材料的制备及其应用(57)摘要本发明提供了一种过渡金属/氮共掺杂的空心碳球纳米材料的制备及其应用的方法。该方法以表面活性剂为软模板来制备燃料电池阴极氧还原反应催化剂，首先通过模板剂在水热过程中的自组装及其与碳源前驱体之间的强相互作用合成空心聚合物球前躯体，随后经过油浴和充分研磨，进行过渡金属和杂原子的掺杂，最后将反应物放置于程控管式炉中，在600-900℃的惰性气氛下进行高温碳化，即得到过渡金属/氮共掺杂的空心碳球基纳米材料。该方法得到的这种空心碳球基纳米材料具有较高的比表面积，良好的导电性和足够的活性位点，对氧还原反应展现了优异的电催化活性、良好的稳定性和抗甲醇中毒活性。该制备方法成本低廉，工艺简单，具有一定的普适性，对于燃料电池阴极氧还原催化剂的合成具有一定的指导意义。CN109378490ACN109378490A权利要求书1/1页1.一种过渡金属/氮共掺杂的空心碳球纳米材料的制备方法，其特征在于包含如下的步骤：水热过程：称取适量的模板剂和碳源前驱体，按照一定比例配成水溶液，在室温下进行一段时间的搅拌之后放入反应釜中，按照一定升温速率在特定温度下进行一段时间的水热反应；油浴过程：将水热过程生成的空心聚合物球前驱体与不同过渡金属盐和尿素以不同的质量比例混合并进行油浴，随后通过离心和超声清洗，得到下层沉淀，放置于真空干燥箱中进行真空干燥；研磨过程：将油浴过程得到的负载过渡金属的空心聚合物球前驱体与氮源以不同比例进行混合，并放置在玛瑙研钵中进行充分的机械研磨，然后将所得到的研磨均匀的粉状物置于瓷舟中;煅烧过程：将盛有该粉状物的瓷舟放置于管式炉中，以一定的升温速率上升到特定温度，在惰性气氛下进行高温煅烧，并进行一段时间的保温，保证其进行合适的反应。2.根据权利要求1所述的过渡金属/氮共掺杂空心碳球基纳米材料的制备方法，其特征在于：在步骤a)中，模板剂为：三嵌段共聚物PluronicP123，油酸钠，所述PluronicP123和油酸钠的摩尔比为1：16~1：64，碳源前驱体为：六次甲基四胺，2,4-二羟基苯甲酸，所述六次甲基四胺和2,4-二羟基苯甲酸的摩尔比为1：1~1：3，升温速率为0.1~2℃/min，水热温度为100~160℃，保温时间为1~6h。3.根据权利要求1所述的过渡金属/氮共掺杂空心碳球基纳米材料的制备方法，其特征在于：在步骤b)中，过渡金属盐为：CoCl2·6H2O，FeCl3·6H2O和NiCl2等，空心聚合物球前驱体、尿素、过渡金属盐的质量比为1：3.75：10~1：3.75：60，油浴温度为80~160℃，油浴时间为6~8h，采用超纯水进行超声清洗1~5次，离心速率为9000~11000rpm，离心时间为10~30min，真空烘干的温度为50~80℃，烘干时间为8~16h。4.根据权利要求1所述的过渡金属/氮共掺杂空心碳球基纳米材料的制备方法，其特征在于：在步骤c)中，氮源为：三聚氰胺，负载过渡金属的空心聚合物球及氮源的质量比为1：10~1：100。5.根据权利要求1所述的过渡金属/氮共掺杂空心碳球基纳米材料的制备方法，其特征在于：在步骤d)中,惰性气氛为氮气、氩气等，升温速率为2~10℃/min，煅烧温度为600~1000℃，保温时间为1~6h。6.根据权利要求1-5所述一种过渡金属/氮共掺杂空心碳球基纳米材料的制备方法，其特征在于采用一步水热法，得到空心聚合物球前驱体，并通过油浴和充分的研磨，得到一种过渡金属/氮共掺杂的空心碳球基纳米材料，其直径在150nm左右，壳厚约为30nm。7.根据权利要求1-6所述的一种过渡金属/氮共掺杂空心碳球基纳米材料的制备方法，其特征在于：该过渡金属/氮共掺杂空心碳球基纳米材料可应用于催化燃料电池的阴极氧还原反应。2CN109378490A说明书1/4页过渡金属/氮共掺杂的空心碳球纳米材料的制备及其应用技术领域[0001]本发明属于化学能源材料领域，具体涉及空心碳球基纳米材料的制备，尤其涉及一种用于催化燃料电池阴极氧气还原生成水的过渡金属/氮共掺杂的空心碳球纳米材料的制备及其应用。背景技术[0002]随着石油和天然气等传统不可再生的化石能源的日渐枯竭，能源危机已经成为当前世界面临的亟待解决的重大问题之一，近几年来，通过对可再生能源