一种氮掺杂碳球氧还原催化剂及其制备方法和用途.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CN108598512A(43)申请公布日2018.09.28(21)申请号201810292498.1(22)申请日2018.03.30(71)申请人湘潭大学地址411105湖南省湘潭市雨湖区羊牯塘湘潭大学(72)发明人陈红飙孙滔阳梅刘益江杨端光黎华明(74)专利代理机构北京卓恒知识产权代理事务所(特殊普通合伙)11394代理人徐楼(51)Int.Cl.H01M4/96(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图5页(54)发明名称一种氮掺杂碳球氧还原催化剂及其制备方法和用途(57)摘要本发明公开一种氮掺杂碳球高效的氧化原(ORR)催化剂(N/Cs)及其制备方法。首先，通过3,6-双(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪合成3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪(TId)。再将TId作为单体，甲撑二甲醚作为交联剂，质子酸甲烷磺酸作为催化剂，通过Friedel-Crafts反应合成交联聚合物球，并将此聚合物球高温热解所得碳球材料作为非金属氧还原催化剂。该催化剂具有较好的ORR催化性能、抗甲醇性能和稳定性。另外，该催化剂的优点在于整个催化剂合成过程中不使用任何的金属前驱体，可以完全排除金属残留物对N/Cs催化剂的影响。CN108598512ACN108598512A权利要求书1/2页1.一种氮掺杂碳球氧还原催化剂，该氮掺杂碳球氧还原催化剂由3,6-双(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪合成3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪，再将3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪通过Friedel-Crafts反应合成聚合物，再将该聚合物热解即得到氮掺杂碳球氧还原催化剂。2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳球氧还原催化剂，其特征在于：3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪由3,6-双(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪和吲哚盐反应合成；和/或Friedel-Crafts反应为：3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪和甲撑二甲醚在催化剂的作用下进行反应。3.根据权利要求2所述的氮掺杂碳球氧还原催化剂，其特征在于：所述吲哚盐为吲哚和碱反应获得；作为优选，所述碱为强碱，更优选碱为KOH或NaOH；和/或所述催化剂为甲烷磺酸、对甲基苯磺酸、三氟甲烷磺酸和H2SO4中的一种或几种。4.根据权利要求1-3中任一项所述的氮掺杂碳球氧还原催化剂，其特征在于：所述热解为：将该聚合物在600-1200℃下热解，优选为800-1000℃。5.一种氮掺杂碳球氧还原催化剂的制备方法或制备权利要求1-4中任一项所述氮掺杂碳球氧还原催化剂的方法，该方法包括以下步骤：1)3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪的制备：在3,6-双(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪的溶液中加入吲哚盐，搅拌，加热反应；然后冷却，过滤、洗涤和干燥，得到3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪；2)聚合物的合成：在3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪的溶液中加入甲撑二甲醚，搅拌，再将催化剂滴加于反应体系中，进行反应，然后冷却至室温，过滤，洗涤，干燥，得到聚合物；3)热解反应：将步骤2)得到的聚合物进行热解反应，得到氮掺杂碳球氧还原催化剂。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤1)具体为：在3,6-双(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪的有机溶液中加入吲哚盐，室温搅拌0.5-3h(优选为1-2h)，回流反应4-12h(优选为6-10h)，冷却至室温，过滤、洗涤(优选采用有机溶液洗涤)，干燥，采用石油醚/三氯甲烷过柱，得到3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪；作为优选：所述有机溶液为乙腈；所述吲哚盐为：吲哚于冰浴下加入碱中，搅拌获得；作为优选，所述碱为强碱，更优选碱为KOH或NaOH。7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：步骤2)具体为：在3,6-二吲哚基-1,2,4,5-四嗪的溶液中加入甲撑二甲醚，搅拌0.2-2h(优选为0.4-1h)，再将催化剂通过恒压滴液漏斗匀速的滴加于反应体系中，25-60℃下反应2-10h(优选为30-50℃下反应3-8h)，然后在60-100℃下反应10-48h(优选为70-90℃下反应15-24h)，然后冷却至室温，过滤，洗涤(优选采用H2O和KOH溶液洗涤)，干燥(优选为真空干燥)，得到聚合物；作为优选，所述催化剂为甲烷磺酸、对甲基苯磺酸、三氟甲烷磺酸和H2SO4中的一种或几种。8.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于：步骤3)中热解反应的温度为500-1500℃，优选为600-1400℃，更优选为700-1200℃；和/或热解反应的时间为0.5-6h，优选为1-5h，更优选为2-4h。9.根据权利要求5-8中任一项所述的方法