[发明专利]一种缺陷可控的吡啶氮掺杂多孔石墨烯及制备与应用

说明书

本发明属于电催化材料领域，公开了一种缺陷可控的吡啶氮掺杂多孔石墨烯及制备与应用。将钴盐、氧化石墨烯水溶液和氨水在60～80℃温度下反应，离心取沉淀物，冷冻干燥，得到氢氧化钴负载的氧化石墨烯，然后在惰性气氛及500～700℃温度下进行高温热处理，形成钴‑还原氧化石墨烯，酸洗并超声，除去金属，得到多孔石墨烯，最后在氨气气氛及600～800℃温度下进行掺氮处理，得到吡啶氮掺杂多孔石墨烯。本发明通过调节钴盐的比例，来调控石墨烯表面刻蚀孔的孔径大小和密度，进而改变多孔石墨烯的缺陷度。所得氮掺杂多孔碳材料孔径分布均匀、大小均一，具有更高的氧还原催化性能。

技术领域

本发明属于电催化材料领域，具体涉及一种缺陷可控的吡啶氮掺杂多孔石墨烯及制备与应用。

背景技术

石墨烯自从被发现以来，由于其在很多方面优越的性能，成为最近十几年来的研究热点。多孔石墨烯，因其同时具有大孔、小孔和微孔等多种尺寸的孔结构，不仅能增加杂原子掺杂的活性位点数量，而且能为电解液的扩散提供有效的电极表面，促进了电解质溶液在材料中的充分浸润，缩短离子扩散距离，同时可使电子的快速传输变得简单，为其提供理想的运输通道，使其在电化学，如氧还原反应、析氢反应等方面有着非常广泛的应用。

电催化剂表面适量的缺陷对电化学反应起着积极的作用。如：碳材料的杂原子掺杂或者提高碳材料的边缘缺陷，由于杂原子或边缘缺陷的引入，打破了原来碳原子的电中性，电荷会重新分配，改变O₂的化学吸附模式，有效削弱O-O键，从而使得掺杂碳材料展现出更好的ORR催化活性。

但当前边缘缺陷碳材料的制备尚面临着许多问题，如：含有更多边缘和孔缺陷的碳材料大都是在高温下或使用模板前驱体制备的，制备工艺难以精确调控，边缘缺陷不可控制等。目前常用的掺杂碳材料的制备方法，如：热处理法、气相沉积法、水热法、电弧放电、等离子体法等，各有利弊。热处理法所得的掺杂碳材料碳化程度比较高，但是高温容易导致掺杂元素的流失，导致掺杂元素的含量一般不高，从而也限制了其氧还原催化性能。气相沉积法(CVD法)一般采用吡啶、乙腈等高温下易分解的试剂来进行掺杂，但此方法所用试剂多为有毒有机溶剂，不符合绿色化学的理念，所得样品的掺杂量也不高，因而其氧还原催化性能不佳。水热法相对前面所提到的气相沉积法和热处理法而言采用的温度较低，因此所得掺杂碳材料的掺杂元素含量相对较高，但是水热所得材料的碳化程度较低，因而其氧还原催化性能并不理想。电弧放电和等离子体法对设备要求高，产物产量低且处理条件复杂，也限制了该制备方法的大规模应用。因此，寻求高效、可控的边缘缺陷以及掺杂碳材料的制备方法，对提高碳材料的催化活性和利用效率，推动碳基催化材料在电化学方面的应用尤为重要。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种缺陷可控的吡啶氮掺杂多孔石墨烯的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的吡啶氮掺杂多孔石墨烯。

本发明的再一目的在于提供上述吡啶氮掺杂多孔石墨烯作为燃料电池催化剂的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种缺陷可控的吡啶氮掺杂多孔石墨烯的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)将钴盐、氧化石墨烯水溶液和氨水超声混合均匀，在60～80℃温度下反应，离心取沉淀物，冷冻干燥，得到氢氧化钴负载的氧化石墨烯；

(2)将氢氧化钴负载的氧化石墨烯在惰性气氛及500～700℃温度下进行高温热处理，形成钴-还原氧化石墨烯，酸洗并超声，除去金属，得到多孔石墨烯；

(3)将所得多孔石墨烯在氨气气氛及600～800℃温度下进行掺氮处理，得到吡啶氮掺杂多孔石墨烯。

进一步地，步骤(1)中所述的钴盐为醋酸钴、氯化钴或硝酸钴。