[发明专利]一种双重位点催化氧还原的铁氮掺杂石墨烯多孔材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种双重位点催化氧还原的铁氮掺杂石墨烯多孔材料，其特征在于所述的多孔材料是由石墨碳包覆的碳化铁嵌入氮掺杂的多孔石墨烯网络结构中形成的；利用聚吡咯和三价铁的配位作用，通过一步炭化热处理，将聚吡咯原位转变为石墨碳包覆碳化铁，并且在形成碳化铁的过程中会生成大量的副产物氧化铁，高温下氧化铁和石墨烯中的缺陷碳发生高温炭化反应，从而刻蚀石墨烯，形成多孔石墨烯；由于碳化铁和掺杂的多孔石墨烯同时具有催化氧还原的能力，因此当两者有机结合后会表现出协同催化作用，导致所制得的材料具有非常高的氧还原催化能力。

2.根据权利要求1所述的一种双重位点催化氧还原的铁氮掺杂石墨烯多孔材料，其特征在于：所述铁氮掺杂石墨烯多孔材料孔径为1nm~50μm，孔隙率为80~99%，密度为0.05~2g/cm³，比表面积为10~2000m²/g。

3.一种如权利要求1所述双重位点催化氧还原的铁氮掺杂石墨烯多孔材料的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：

（1）氧化石墨烯材料的制备：

利用改良版的Hummer’s方法制备氧化石墨烯或对碳纳米管进行纵向解拉链在水系环境中得到氧化石墨烯纳米带；

（2）氧化石墨烯材料/聚吡咯复合水凝胶的制备及吸附三价铁：

取0.1～50mg/mL氧化石墨烯材料水溶液加入1～100vol%的吡咯，吡咯加入的体积为氧化石墨烯材料体积的1～100vol%，然后置于20mL水热反应釜中，30～200℃水热1～48h，得到均匀的力学性能好的氧化石墨烯材料/吡咯复合水凝胶；

然后将得到的水凝胶分散于10～500mL0.24M的三价铁水溶液中搅拌1～24h完成吡咯的原位聚合；

聚合完成后，用蒸馏水和乙醇进行洗涤去除聚合反应的副产物以及未聚合的吡咯单体；

洗涤完成后，将得到的水凝胶固体重新分散于20～1000mL0.24M新鲜的三价铁水溶液中，搅拌1～48h完成吸附过程，最后抽虑得到含三价铁的氧化石墨烯材料/聚吡咯复合水凝胶；

（3）氧化石墨烯材料/聚吡咯复合水凝胶的干燥过程：

通过冷冻干燥、超临界流体方式干燥或常压加热干燥得到干凝胶材料；

（4）一步高温碳化反应：

将得到的干燥样品放入高温管式炉中进行高温炭化热处理，所述炭化温度为200～1500℃，惰性气体为氩气或者氮气，升温速率为1～50℃/min，炭化时间为1～48h，降温速率为1～50℃/min；

（5）多孔材料的后处理：

将炭化后的样品分散于100～1000mL1～12M盐酸或者硫酸中，30～100℃搅拌反应1～24h，然后抽虑，用蒸馏水和无水乙醇进行洗涤，再次进行干燥过程（步骤如上），得到最终的铁氮掺杂的石墨烯多孔材料。

4.根据权利要求3所述的双重位点催化氧还原的铁氮掺杂石墨烯多孔材料的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米管为单壁纳米管、多壁碳纳米管、双壁碳纳米管、三壁碳纳米管或多壁阵列碳纳米管。

5.根据权利要求3所述的双重位点催化氧还原的铁氮掺杂石墨烯多孔材料的制备方法，其特征在于：所述的三价铁选自常规三价铁的可溶性无机盐包括：硝酸铁、氯化铁、硫酸铁、柠檬酸铁。

6.一种如权利要求1或3所述的双重位点催化氧还原的铁氮掺杂石墨烯多孔材料的应用，其特征在于所述的铁氮掺杂石墨烯多孔材料可作为电极材料，催化燃料电池的阴极氧气的还原，表现为非常高的催化活性。