[发明专利]氮磷共掺杂多孔碳的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种氮磷共掺杂多孔碳的制备方法及其应用，通过一步法自组装前驱体共聚物，高温焙烧后制得氮磷共掺杂多孔碳。本发明制备的催化剂材料孔状结构明显，比表面积大，暴露出更多的催化活性位点，有利于提高电催化氧还原的活性。这种使用简单的弱相互作用将前驱体共聚从而进一步合成具有一定形貌材料的制备方法步骤简单、容易操作，其合成机制对未来大规模设计合成纳米材料并应用于电催化、超级电容器、吸附分离等领域研究具有重要的启发作用。

技术领域

本发明属于材料、能源技术领域，具体涉及一种氮磷共掺杂多孔碳的制备方法及其应用。

背景技术

多孔碳材料由于比表面积大、孔结构丰富、导电性好、催化活性高、稳定性好等特点而成为燃料电池、超级电容器、吸附分离等诸多领域研究的热点。近年来已有大量文献报道了通过软/硬模板法、催化活化法制备不同孔结构的多孔碳材料。比如中国专利《一种氮磷共掺杂多孔碳催化剂及其制备方法》，其申请号为：201510888720.0，中国专利《一种多孔磷-氮共掺杂碳材料及其制备方法》，其申请号为201410189749.5，这些专利大都采用硬模板法，经过多步复合修饰来制备氮磷共掺杂多孔碳材料，其合成工艺复杂，后处理过程繁琐，成本较高。中国专利《一种氮磷共掺杂孔状碳材料的制备方法及其应用》，其申请号201610391182.9，通过催化活化法制备孔状碳材料，但是需要加入金属盐作为活化剂，最后再酸化去除金属元素。

燃料电池是通过电化学还原氧和氧化燃料产生水来直接将化学能转换为电能，是一种高效、绿色的能量转换装置。目前，广泛使用的阴极氧还原催化剂大多是铂基贵金属或者非贵金属催化剂，但是这类金属催化剂大都具有价格较高、稳定性差，且有不耐一氧化碳、甲醇中毒等缺点，不利于商业化大规模的应用。因此，发展具有高活性和高稳定性的廉价非金属催化剂是研究者们的目标之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮磷共掺杂多孔碳的制备方法及其应用，本发明保持了多孔碳结构的形貌，将其应用在燃料电池电催化氧还原反应中表现出了优良的性质，成本低、方法简单，催化活性高、抗中毒能力强、稳定性好，也能够应用于超级电容器、吸附分离等领域。

本发明一种氮磷共掺杂多孔碳的制备方法，通过一步法自组装前驱体共聚物，高温焙烧后制得氮磷共掺杂多孔碳。

所述氮磷共掺杂多孔碳为不规则的三维多孔状结构，孔径在20-50nm之间，氮磷共掺杂多孔碳结构中均匀分布碳、氮和磷元素。

具体包括以下步骤：

(1)前驱体共聚物的制备：将三聚氰胺、三磷酸腺苷和水混匀，调节pH值至2.0‐4.5，使共聚物呈白色凝胶状，然后将干燥得到前驱体共聚物白色粉末；

(2)将步骤(1)中的白色粉末焙烧得到氮磷共掺杂多孔碳。

步骤(1)中，所述三聚氰胺与三磷酸腺苷的摩尔比为3:1-3。

所述三聚氰胺与三磷酸腺苷的添加比例优选为3mmol:1mmol。

上述比例的三聚氰胺与三磷酸腺苷使最终得到的氮磷共掺杂多孔碳具有优异的电催化氧化还原性能。

利用盐酸调节前驱体共聚物的pH值，盐酸浓为1mol·L^-1。

所述干燥方法采用冷冻干燥。

步骤(2)中，所述焙烧在惰性气体下进行，惰性气体为氩气或者氮气。

步骤(2)中，所述焙烧温度为700-1000℃，焙烧时以1.5-2.5℃·min^-1升温至700-1000℃，焙烧时间为1.5-2.5h。

焙烧时优选以2℃·min^-1升温至700-1000℃。

所述多孔碳材料应用于燃料电池氧还原催化剂、超级电容器或吸附分离。