[发明专利]一种氮、磷共掺杂碳基非金属氧还原/析出双效催化剂及其制备方法

说明书

一种氮、磷共掺杂碳基非金属氧还原/析出双效催化剂及其制备方法，属于催化剂技术领域。通过简单的方法在碳载体上合成了一种富含氮、磷的共价有机聚合物，使氮源和磷源均匀、规则分布于碳源表面，并经过一步高温煅烧碳化过程，制备出氮、磷共掺杂型多孔碳材料。该材料成本低、易于制备，不但具有高效的氧还原及氧析出反应催化活性，同时具有较好的稳定性。在可充电金属‑空气电池，可再生燃料电池等领域具有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及掺杂型多孔碳基非金属氧还原/析出双效催化材料的制备方法，具体涉及一种利用含碳、氮、磷多孔材料作为前驱体反应物，然后经一步高温煅烧热解的方法获得同时具有氧还原和氧析出催化性能的双功能碳基电催化材料，在二次金属空气电池、可再生燃料电池、锌空气液流电池等领域具有广阔的应用前景，属于催化剂技术领域。

背景技术

可充电金属-空气电池是一种以空气中氧气作为正极活性物质，活泼金属作为负极活性物质，中性盐溶液或者碱性溶液作为电解质的一类化学电源。放电时，负极上的金属失去电子被氧化成相应的金属离子，正极上的氧气被还原(在碱性条件下被还原成OH^-)，充电时则发生可逆的反应。金属-空气电池具有能量密度高、功率密度大、环境友好，可靠性高等优点，必将在未来世界能源格局中占据重要地位。

目前金属-空气电池正极氧电极催化剂以Pt、Ru、Pd、Au、Ag等贵金属及其合金为主。现行商用的贵金属催化剂有Pt/C，IrO₂/C等。但是贵金属催化剂价格普遍较为昂贵，且贵金属资源稀缺有限，这些不足限制了贵金属催化剂的发展和应用。研究表明功能化后的碳材料可以催化氧还原或氧析出反应的进行，通过掺杂氮、磷、硫杂原子制备出的碳基非金属催化剂甚至可以达到良好的双效催化效果，同时以非金属原料制备催化剂，降低了成本，提高了稳定性，碳基杂原子共掺杂催化剂已成为了双效催化剂的重要研究方向，然而，掺杂源与碳源混合不均，掺杂位点及数量较少，制约了碳基催化剂性能的进一步提升。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的问题如提高掺杂源与碳源之间的混合均匀性，通过简单的方法在碳载体上合成一种富含氮、磷的共价有机聚合物，氮、磷在该聚合物中分布均匀且紧密结合在碳载体上，经高温碳化获得了不但拥有高效的氧还原/氧析出反应催化性能，同时具有良好的稳定性的氮、磷共掺杂碳基催化材料。该材料制备过程简单，易操作，成本低廉，解决了二次金属空气电池催化剂催化性能不高，稳定性差，成本高难以大规模推广的问题。

本发明是通过以下方式实现的，一种氮、磷共掺杂碳基非金属氧还原/析出双效催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)使用磷源、氮源，在碳材料表面直接合成含有氮、磷的共价有机聚合物材料，称取一定量的氮源、磷源、碳材料，混合并溶于有机溶剂中，然后转移到反应釜升温保持一段时间，生成产物用洗涤液洗涤过滤数次，干燥获得含氮、磷的碳基材料。

步骤2)将合成的含氮、磷的碳基材料转移到瓷舟中，并放入高温管式炉中高温煅烧热解一定时间，在保护气体中使它碳化，自然冷却即获得氮、磷共掺杂碳基非金属氧还原/析出双效催化剂。

进一步优选：

步骤1)磷源和氮源及碳源的质量比范围为(1-2.6):1:(1-1.6)，优选(1-1.8):1:(1-1.3)，更优选(1-1.6):1:(1-1.3)。

步骤1)反应釜反应加热升温到100-200℃，优选100-130℃，更优选110-120℃。反应时间为7-30小时，优选18-24小时，更优选20-24小时。

步骤1)有机溶剂可以为四氢呋喃、二甲基甲酰胺、乙醇中的一种或两种以上。

步骤1)洗涤过滤干燥步骤中，采用真空抽滤，洗涤液为去离子水、乙醇、甲醇溶液中一种或两种。真空干燥温度为65-150℃，优选60-100℃，更优选60-80℃。