[发明专利]一种多掺杂碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多掺杂碳材料及其制备方法和应用。本发明公开的多掺杂碳材料为过渡金属和杂原子掺杂的碳材料，其中，所述过渡金属以单原子形式分散在杂原子掺杂的碳材料中；本发明的多掺杂碳材料通过将碳材料、过渡金属化合物和含杂原子的化合物混合球磨制得；本发明还公开了多掺杂碳材料在制备电池或超级电容器中的应用。本发明提供的多掺杂碳材料中过渡金属以原子级别分散，在氧气还原反应中表现出优异的催化活性和稳定性，解决了现有多掺杂碳材料催化活性低，稳定性差等问题。本发明提供的球磨法可以宏量制备原子级别分散的多掺杂碳材料，解决了现有技术制备过程复杂，需高温煅烧以及后处理繁琐，且得到的产物尺寸范围大、形态不规则等问题。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域。更具体地，涉及一种多掺杂碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

高性能电极材料的合理设计和合成在能量转换和存储技术中至关重要。氧还原反应(即oxygen reduction reaction，ORR)作为能量转换系统中重要的半反应受到了广泛关注。然而，ORR缓慢的动力学过程、较大的过电位以及稳定性问题限制了其进一步发展。贵金属铂和铂基材料由于出色的催化活性是ORR中最常用的电催化剂，然而其高昂的成本和有效的资源极大限制了其商业化应用。此外，铂催化剂在实际燃料电池运行中还存在稳定性差、抗甲醇交叉效应差等不利因素。前期的研究表明，先进的电极材料需要同时满足以下两个条件：1、制备工艺简单，价格低廉且易放大；2、在长期工作条件下依然保持出色的催化性能，即活性，稳定性和抗中毒性。

过渡金属和杂原子掺杂的碳材料被认为是最有前途的铂催化剂的替代品。例如，M(M＝Fe，Co，Ni等)-N-C催化剂由于高的催化效率和出色的稳定性而成为代替商业催化剂Pt/C的有效电极材料。然而，M-N-C催化剂的合成通常涉及复杂的过程：首先需要混合多种反应前驱体(如过渡金属盐、含N前驱体、碳源等)，然后经过高温煅烧和繁琐的后处理；另一方面，高温热解策略常导致获得具有大尺寸范围，不规则形态和/或不同组成的混合产物(例如金属，金属氧化物或金属碳化物)，对进一步研究和理解催化剂结构和性能的关系造成困难。

因此，本发明提供了一种合成结构和组分明确的多掺杂碳材料及其制备方法和应用。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种多掺杂碳材料。

本发明的第二个目的在于提供一种多掺杂碳材料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种多掺杂碳材料的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种多掺杂碳材料，所述多掺杂碳材料为过渡金属和杂原子掺杂的碳材料，其中，所述过渡金属以单原子形式分散在杂原子掺杂的碳材料中。本发明提供的多掺杂碳材料解决了现有过渡金属和杂原子掺杂的碳材料中过渡金属呈纳米颗粒分散，且这些纳米颗粒尺寸大小不一，导致其用作氧还原催化剂催化活性低、稳定性差的问题；本发明提供的多掺杂碳材料中的过渡金属呈原子级别分散，表现出超高的催化活性、稳定性和抗甲醇性；此外单原子具有均一的结构和组分，有利于理解结构和性能的关系。

优选地，所述杂原子包括N和S。本发明优选N和S进行掺杂，N和S的掺杂可以调控C的电子结构，此外S有相对大的原子半径导致碳材料上的缺陷，这两者的掺杂均会影响材料的电催化性能。

优选地，所述过渡金属选自Fe、Co、Ni中的一种或多种；进一步地，所述过渡金属为Fe。

优选地，所述碳材料为石墨烯或者石墨；进一步地，所述碳材料为石墨烯。本发明更优选石墨烯作为碳材料，石墨烯是电化学性能优良的导电材料，被应用与许多催化反应中；且石墨烯已经可以量产，为商业化应用提供可能。

优选地，所述过渡金属、杂原子和碳元素的质量比为1:8～25:1～3。

优选地，所述杂原子中N和S的质量比为50～120:1。