一种铁氮共掺杂多孔碳球材料的制备方法及其应用.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CN104624154A(43)申请公布日2015.05.20(21)申请号201510033461.3(22)申请日2015.01.23(71)申请人南开大学地址300071天津市南开区卫津路94号(72)发明人陈铁红刘优林(74)专利代理机构天津佳盟知识产权代理有限公司12002代理人侯力(51)Int.Cl.B01J20/20(2006.01)B01J20/30(2006.01)B01J27/24(2006.01)H01M4/90(2006.01)权利要求书1页说明书3页附图2页(54)发明名称一种铁氮共掺杂多孔碳球材料的制备方法及其应用(57)摘要一种铁氮共掺杂多孔碳球材料的制备方法，利用2-氨基吡啶为单体,以过硫酸铵和氯化铁为氧化剂，在多孔二氧化硅模板的孔道中原位聚合反应，得到前躯体在管式炉、惰性气体氮气环境中高温碳化处理，最后用氢氟酸除掉二氧化硅模板，得到铁氮共掺杂多孔碳球材料，作为电催化剂用于氧气还原反应表现出很好的催化效果。本发明的优点是：该制备方法工艺简单、原料便宜、易于实施；制备的碳材料含有三维连通的孔道结构，具有高的比表面积和大的孔体积；通过杂原子氮铁的掺杂，可有效地提高电催化活性，作为低价的电催化剂应用具有较高的电催化效率，在掺杂型多孔碳材料制备及质子膜燃料电池电催化领域具有重要的价值和意义。CN104624154ACN104624154A权利要求书1/1页1.一种铁氮共掺杂多孔碳球材料的制备方法，其特征在于：所述铁氮共掺杂多孔碳球材料具有高的比表面积和大的孔体积，含有三维连通的孔道体系，介孔尺寸为20-30nm，步骤如下：1）将小分子单体2-氨基吡啶溶于甲苯中，然后加入多孔二氧化硅球模板，混合均匀，在0-10℃温度下加入氧化剂过硫酸铵和氯化铁，进行聚合反应12-48h，静置、离心后，将固体在120℃下干燥12h，得到褐色前驱体；2）将上述前驱体在氮气条件下高温碳化，升温速率为1-5℃，升温至700-1000℃并在最高温度进行碳化1-5h,然后在氮气气氛下自然冷却至室温，得到碳化后的产物；3）在上述碳化后的产物中加入浓度为10-40wt.%的氢氟酸以去除模板，在室温条件搅拌反应5h，离心后的固体用去离子水洗涤至中性，在100℃下干燥24h，得到铁氮共掺杂多孔碳球材料。2.根据权利要求1所述铁氮共掺杂多孔碳球材料的制备方法，其特征在于：所述2-氨基吡啶与甲苯的用量比为1mmol：1-6g；2-氨基吡啶与多孔二氧化硅模板的用量比为：5-20mmol：1g；2-氨基吡啶、过硫酸铵与氯化铁的摩尔比为2-20:1-10：1。3.根据权利要求1所述铁氮共掺杂多孔碳球材料的制备方法，其特征在于：所述碳化后的产物与氢氟酸的质量比为1:50-100。4.一种权利要求1所制备的铁氮共掺杂多孔碳球材料的应用，其特征在于：作为电催化剂用于氧化还原性能测试，测试方法采用三电极体系，即以该铁，氮共掺杂的多孔碳球材料修饰的玻碳电极为工作电极，以铂丝电极为对电极，以3MKClAg/AgCl为参比电极，以0.5MH2SO4溶液为电解液构成的三电极体系。2CN104624154A说明书1/3页一种铁氮共掺杂多孔碳球材料的制备方法及其应用技术领域[0001]本发明涉及多级孔碳材料的制备技术，特别是一种铁氮共掺杂多孔碳球材料的制备方法及其应用。背景技术[0002]近年来，随着能源危机和环境污染问题的加剧，高效清洁燃料电池和金属空气电池受到越来越多的关注。对于上述两类电池，其阴极都需要使用具有电催化活性的催化剂来促进氧气还原反应的发生。目前，最好的氧气还原催化剂是铂及其合金催化剂，然而由于其高价格，低稳定性和弱的抗甲醇能力，限制了其大规模应用。目前，非贵金属催化剂特别是过渡金属和氮共掺杂的碳材料在碱性和酸性条件下都表现出很好的电催化活性。常规方法制备过渡金属和铁共掺杂的碳材料就是直接碳化含有过渡金属和含氮的碳材料。由于制备得到的碳材料具有低的表面积和孔体积，含有少量的孔结构，其在催化氧气还原反应催化效果不好。[0003]多级孔碳材料通常指含有微孔，介孔，大孔中两个或两个以上孔道结构的碳材料，因为其高的比表面积和大的孔体积等特点，在吸附、分离、电化学、催化、储能以及生物医药等方面显示出广阔的应用前景。模版法是制备多孔碳材料的一种有效方法。目前,文献中报道的用介孔二氧化硅为模板制备高效氧气还原催化剂有：1).Cheon,J.Y.;Kim,T.;Choi,Y.;Jeong,H.Y.;Kim,M.G.;Sa,Y.J.;Kim,J.;Lee,Z.;Yang,T.-H.;Kwon,K.;Terasaki,O.;Park,G.-G.;Adzic,R.R.;Joo,S.H.,Sci.Re