[发明专利]氮掺杂多级孔结构碳球及其制备方法

说明书

本发明涉及本发明涉及一种具有电化学催化氧还原（ORR）/氧析出（OER）的双功能氮掺杂多级孔结构碳球（N‑HPCS）及其制备方法。本发明以聚苯乙烯微球为模板，三聚氰胺/甲醛树脂为碳源和氮源，二氧化硅为成孔剂，经煅烧，氢氟酸腐蚀，得到同时具有大孔、介孔和微孔的多级孔结构氮掺杂碳球。该碳球具有很好的电化学催化ORR/OER性能。

技术领域

本发明涉及一种具有电化学催化氧还原(ORR)/氧析出(OER)的双功能氮掺杂多级孔结构碳球(N-HPCS)及其制备方法。

背景技术

当今社会对能源的需求在不断增加，化石能源已经远远不能满足人类的需要。化石能源在地球上的存量越来越少，并且使用过程中会对环境产生污染。因此寻求绿色可持续的能源来替代化石能源，是非常有必要的。燃料电池、金属空气电池和电解水制氢均在未来绿色可持续能源中扮演重要角色。在燃料电池、金属空气电池和电解水制氢中，电催化ORR和OER具有重要意义。目前主要用于 ORR的催化剂是Pt及其合金，用于OER的催化剂是Ru和Ir的氧化物。由于Pt、 Ru和Ir都是贵金属元素，有限的储量和昂贵的价格限制了它们的大规模应用。因此寻找储量高、成本低的ORR/OER电催化剂，有利于燃料电池、金属空气电池和电解水制氢的产业化和商业化。

氮掺杂碳材料，原料易得，价格低廉，能表现出较好的ORR或者OER电催化活性。有潜力替代贵金属，用于燃料电池、金属空气电池和电解水制氢，可以大大降低这些绿色可持续能源设备与技术的成本。

发明内容

本发明的目的之一在于提供了一种具有电化学催化氧还原(ORR)/氧析出 (OER)的双功能氮掺杂多级孔结构碳球(N-HPCS)。

本发明的目的之二在于提供该氮掺杂多级孔结构碳球的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种氮掺杂多级孔结构碳球，其特征在于该碳球为粒径为200nm的空心结构，在该空心结构的外壳由氮掺杂的碳形成，并分布有微孔和介孔结构，其中碳含量为92.45％，氮含量为2.94％。

一种本发明氮掺杂多级孔结构碳球的制备方法，具体步骤为：

a.将聚苯乙烯微球(PS)分散在质量分数为98％的浓硫酸中,在40℃下搅拌反应8～24h，反应完成后用去离子水洗涤直至为洗涤液为中性，得到磺化后的的聚苯乙烯微球，并将该微球分散在水中，得到固含量为2～4mg/mL的磺化后的聚苯乙烯微球分散液SPS；

b.将三聚氰胺和质量分数为37％的甲醛溶液在60℃混合搅拌得到透明溶液；所述的三聚氰胺与甲醛溶液的质量体积比为2～3g：4.5～5.5ml；

c.按每100毫升质量百分比浓度为5％的聚乙烯醇溶液中，依次加入25毫升步骤a所得SPS、5毫升质量百分比浓度为40％的胶体二氧化硅和5毫升步骤b 所得透明溶液的比例配置成反应体系，调节该反应体系的pH＝4～5，后混合搅拌 1-9min；反应完成后洗涤直至洗涤液为中性，得到的产品记为SPS@MF/SiO₂；将该产品冷冻干燥后在惰性气体保护下800℃煅烧2h，(这个没有范围)自然冷却至室温，再经过10％的氢氟酸腐蚀除去二氧化硅，得到氮掺杂多级孔结构碳球 N-HPCS。

本发明采用原料易得的三聚氰胺/甲醛树脂为碳源和氮源，聚苯乙烯微球为硬模板，二氧化硅作为成孔剂，经过煅烧和氢氟酸腐蚀，得到的氮掺杂多级孔结构碳球，由于其具有大的比表面积和独特的多级孔结构，表现出了很好的双功能电催化活性。所得到的氮掺杂多级孔结构碳球N-HPCS同时具有大孔、介孔和微孔结构。多级孔结构不仅使得碳球具有大的比表面积，而且有利于反应物和产物的迅速扩散。这种N-HPCS对ORR和OER都表现出了良好的电催化活性。

附图说明

图1是N-HPCS的TEM图；

图2是N-HPCS的X射线光电子能谱；