[发明专利]一种氮掺杂介孔碳球非金属氧还原催化剂、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂介孔碳球非金属氧还原催化剂、制备方法及应用。本发明将聚丙烯腈，聚乙烯吡咯烷酮与气相二氧化硅共同溶于二甲基甲酰胺中，将所得产物进行静电纺丝，用铝箔接收纺丝，再先在空气中预氧化，然后在惰性氛围下碳化，最后除去模板剂后即得氮掺杂介孔碳球非金属氧还原催化剂。本发明所用模板剂廉价，制备方法简单，易于规模化生产。所制备的催化剂具有明显的氧还原特征峰，相比于商业Pt\C催化剂，该催化剂成本低，稳定性良好。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种氮掺杂介孔碳球非金属氧还原催化剂、制备方法及应用。

背景技术

燃料电池是一种能够将燃料的化学能直接转化成电能的装置。与普通电池不同的是燃料电池没有容量的限制，理论上只要持续地为燃料电池提供燃料，那它就可以源源不断地对外输出电能。由于在整个能量转化过程中不经过热机过程，燃料电池不受卡诺循环限制，因此燃料电池一般都具有比较高的能量转化率。然而目前为止，燃料电池并未得到大规模的商业生产和应用，其中一个重要制约因素就是它的阴极催化剂。当前此类催化剂主要采用贵金属，特别是铂基材料，此类催化剂的成本昂贵，来源有限，且有不耐一氧化碳、甲醇中毒等缺点[1,2]。因此，寻找更为理想的阴极催化剂是燃料电池得到广泛商业化亟需解决的重要难题之一。

多孔碳材料由于具有良好的导电率及较高的比表面积被广泛应用于催化剂，催化剂载体，超级电容器和锂离子电池中。杂原子(例如氮)掺杂能够将改性碳材料。当氮原子掺杂到多孔碳材料后，多孔碳材料的电荷密度增加，形成n型半导体，进而使多孔碳材料的导电性增加[3]。杂原子在多孔碳材料结构中的引入另外也会增加多孔碳材料的缺陷位，提高催化剂的催化活性。本发明提供了一种较为简单的氮掺杂介孔碳球非金属氧还原催化剂制备方法。

参考文献

[1]C.H.S.Brian,H.Angellka,Materials for fuel-cell technologies.[J]Nature,2001,414,345-352.

[2]V.R.Stamenkovic,B.Fowler,B.S.Mun,et al.,“Improved oxygen reductionactivity on Pt3Ni(111)via increased surface site availability.[J]Science,2007,315(5811):493-497.

[3]T.Yang,J.Liu,R.Zhou,et al.,N-doped mesoporous carbon spheres asthe oxygen reduction reaction catalysts.[J]Journal of Materials Chemistry A,2014,2(42):18139-18146.

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种氮掺杂介孔碳球非金属氧还原催化剂、制备方法及应用。本发明制备方法简单，原料价格便宜，环境友好；催化剂具有较好的氧还原性能。

本发明将聚丙烯腈，聚乙烯吡咯烷酮与气相二氧化硅(模板剂)共同溶于二甲基甲酰胺中，将所得产物进行静电纺丝，用铝箔接收纺丝，得到碳纤维，再将碳纤维在空气中预氧化，然后在惰性氛围下碳化，最后除去模板剂后即得氮掺杂介孔碳球非金属氧还原催化剂。本发明的技术方案具体介绍如下。

一种氮掺杂介孔碳球非金属氧还原催化剂的制备方法，具体步骤如下：

1)将聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和气相二氧化硅共同溶于二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌混合均匀；

2)将混合体系加入静电纺丝装置，以铝箔作为接受屏，进行静电纺丝；