一种异原子掺杂蜂窝状多孔碳材料及其制备方法.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CN107834078A(43)申请公布日2018.03.23(21)申请号201710891769.0(22)申请日2017.09.27(71)申请人山西大学地址030006山西省太原市小店区坞城路92号(72)发明人吴娇郭红杨瑞枝(74)专利代理机构山西五维专利事务所(有限公司)14105代理人郭海燕(51)Int.Cl.H01M4/90(2006.01)C01B32/05(2017.01)权利要求书1页说明书7页附图5页(54)发明名称一种异原子掺杂蜂窝状多孔碳材料及其制备方法(57)摘要本发明涉及一类燃料电池阴极催化剂，具体涉及一种异原子掺杂蜂窝状多孔碳催化剂及其制备方法，属于高性能化学电源电催化剂领域。本发明的目的是解决现有碳催化剂的孔隙结构不发达，缺乏相互导通的3D分级多孔孔道，从而影响碳催化剂的氧气还原催化活性的问题。本发明采用一种异原子掺杂蜂窝状多孔碳材料，所述蜂窝状多孔碳材料同时存在微孔、介孔和大孔结构，微孔结构的孔径为0.55～0.8nm，最可几微孔孔径为0.6nm，介孔结构的孔径为3～31.5nm，最可几介孔孔径为3.58nm和21.8nm，比表面积为785m2/g，总孔容为0.69cm3/g。CN107834078ACN107834078A权利要求书1/1页1.一种异原子掺杂蜂窝状多孔碳材料，其特征是所述蜂窝状多孔碳材料同时存在微孔、介孔和大孔结构，微孔结构的孔径为0.55～0.8nm，最可几微孔孔径为0.6nm，介孔结构的孔径为3～31.5nm，最可几介孔孔径为3.58nm和21.8nm，比表面积为785m2/g，总孔容为0.69cm3/g。2.权利要求1所述一种异原子掺杂蜂窝状多孔碳材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：(1)大尺寸高分散SiO2纳米颗粒的合成：称取2g的十六烷基溴化铵溶于12mL0.1M的碱性溶液中，再加入500mL质量比为1:1的甲醇和去离子水的混合液，并搅拌均匀，然后缓慢加入正硅酸四乙酯，所述正硅酸四乙酯与十六烷基溴化铵的质量比为1:3，并进行剧烈搅拌5～8h后再静止8～12h，通过离心清洗并干燥收集得到的白色粉末，将此白色粉末在450～550℃条件下煅烧3～6h，即为大尺寸高分散SiO2纳米颗粒；(2)小尺寸高分散SiO2纳米颗粒的合成：将H2O、C2H5OH和NH3·H2O三种物质按照摩尔量比为8:24:1进行混合，并通过搅拌得到均匀的混合液，再加入正硅酸四乙酯，所述正硅酸四乙酯与氨水的质量比为2:9，在室温下水浴4～6h，采用高速离心分离并反复使用去离子水和无水乙醇清洗此混合液直至中性，在60℃干燥箱中烘干收集白色粉末，以2℃min-1的升温速率升温至煅烧500～600℃后保温5h，即为小尺寸高分散SiO2纳米颗粒；(3)异原子掺杂蜂窝状多孔碳材料的制备：称取0.04g小尺寸高分散SiO2纳米颗粒，加入10mL无水乙醇中,通过超声分散3～5h得到均匀分散的SiO2分散液，再加入异原子前驱体，所述异原子前驱体与小尺寸高分散SiO2纳米颗粒的质量比为5～10:1，搅拌均匀，放置在60℃水浴中加热2～3h，然后，再加入大尺寸高分散SiO2纳米颗粒超声分散3～5h，所述大尺寸高分散SiO2纳米颗粒与小尺寸SiO2纳米颗粒的质量比为4:1，使以上两种不同尺寸的纳米粒子均匀分散且紧密堆积在一起，此后，再次加入异原子前驱体搅拌均匀，所述异原子前驱体与大尺寸SiO2纳米颗粒的质量比为5:1～2，再次放置于60℃水浴中加热2～3h，最终将得到的SiO2纳米粒子和异原子前驱体的混合物放置在80℃真空干燥箱中烘干，烘干后再在惰性气氛围中加热到700～1000℃并保温2h得到黑色粉末，最后，将黑色粉末用HF腐蚀掉SiO2，通过反复离心得到复制硬模板形貌的异原子掺杂蜂窝状分级多孔碳材料。3.权利要求2所述一种异原子掺杂蜂窝状多孔碳材料的制备方法，其特征是所述的碱性溶液为氢氧化钠溶液、氨水或者氢氧化钾溶液。4.权利要求2所述一种异原子掺杂蜂窝状多孔碳材料的制备方法，其特征是所述的异原子前驱体为P、N、S的离子液体或者两种以上摩尔比为1:1的P、N、S的离子液体的混合物。5.权利要求2所述一种异原子掺杂蜂窝状多孔碳材料的制备方法，其特征是所述的惰性气氛为氮气或者氩气气氛。2CN107834078A说明书1/7页一种异原子掺杂蜂窝状多孔碳材料及其制备方法技术领域[0001]本发明涉及一类燃料电池阴极催化剂，具体涉及一种异原子掺杂蜂窝状多孔碳催化剂及其制备方法，属于高性能化学电源电催化剂领域。背景技术[0002]目前为建设资源节约型和环境友好型社会，世界上许多国家都将燃料电池技术列为国家重点研发项目，高等院校和研究院所也纷纷加入到研