[发明专利]一种孔径可调的含铁的氮掺杂脲醛树脂基碳材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种孔径可调的含铁的氮掺杂脲醛树脂基碳材料及其制备方法，将甲醛溶液加入到尿素溶液中，搅拌均匀后再加入铁盐，直至溶液pH值在2～4，得到反应液，反应液反应生成沉淀物，将沉淀物分离后经过后处理得到Fe‑UFC前驱体；其中尿素和甲醛的摩尔比为1:(0.1～1.2)；将Fe‑UFC前驱体在700～1000℃保护气氛下煅烧2～3h，得到孔径可调的含铁的氮掺杂脲醛树脂基碳材料。本发明采用直接炭化法，在不添加任何表面活性剂的情况下，成功合成了Fe‑UFC复合材料，方法实验过程简单、成本低、铁含量可控，含氮量高，产物孔径可调，形貌可控。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，特别涉及一种孔径可调的含铁的氮掺杂脲醛树脂基碳材料及其制备方法。

背景技术

新型化石燃料的迅速枯竭和环境污染促使我们寻找可持续的和清洁的能源资源。直接甲醇燃料电池(DMFC)可以将化学能直接转化为电能，而且拥有能量密度高、无污染、运行温度较低等优点，被认为是一种很有前途的便于携带的和辅助动力装置技术。此外，DMFC的燃料是液体甲醇，甲醇运输和储存方便安全，燃料补充迅速，而且价格低廉。目前，DMFC具有很大的应用潜力，例如便携式电源、电动汽车电源等。然而，阴极的氧还原反应(ORR)动力学缓慢、耐甲醇毒化性能差、常用的Pt或Pt基催化剂成本高是阻碍DMFC商业化发展的主要障碍。所以，制备ORR催化性能好、耐甲醇毒化、成本低的非贵金属基阴极催化剂是非常迫切的。

非贵金属催化剂，特别是过渡金属氧化物，被证明是一种较好的高性能金属氧化物替代物。然而，由于过渡金属氧化物的低导电性和利用率，其催化性能低于贵金属基催化剂，在实际应用中受到了限制。另外，含杂原子的石墨化碳基催化剂(如N，S)含有更多的自由π电子，有利于氧分子的活化。最近的研究表明，掺杂在N-掺杂碳基材料中的过渡金属M(如Fe，Co，Ni)具有较高的催化活性，特别是铁-N-C复合催化剂具有较好的耐甲醇能力，而且具有高的导电性和利用率。而传统的铁-N-C复合材料制备方法具有复杂，成本高，氮含量低，形貌不可控，孔径单一等缺点。

氨基树脂是非常重要的热固性合成树脂之一，脲醛树脂的产量约占全球氨基树脂的80％，是最为重要和应用最为广泛的氨基树脂。脲醛树脂是不透明的热固性塑料或树脂，具有制备成本低，固化温度温和等优点。脲醛树脂也可作为制备氮掺杂多孔碳的有机前驱体。脲醛树脂作为碳材料的前驱体，既可作为碳源，又可作为氮源。传统的脲醛树脂是用尿素和甲醛为原料，甲酸为催化剂，通过甲醛与尿素的聚合反应室温下制备得到的，再通过炭化处理得到脲醛树脂基碳微球(UFC)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种孔径可调的含铁的氮掺杂脲醛树脂基碳材料及其制备方法，采用直接炭化法合成含铁的氮掺杂脲醛树脂基碳材料，。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括以下步骤：

(1)将甲醛溶液加入到尿素溶液中，搅拌均匀后再加入铁盐，直至溶液pH值在2～4，得到反应液，反应液反应生成沉淀物，将沉淀物分离后经过后处理得到Fe-UFC前驱体；其中尿素和甲醛的摩尔比为1:(0.1～1.2)；

(2)将Fe-UFC前驱体在700～1000℃保护气氛下煅烧2～3h，得到孔径可调的含铁的氮掺杂脲醛树脂基碳材料。

进一步地，步骤(1)中，采用的甲醛溶液的体积浓度为37％；尿素溶液是每120mL水中加入92.7mmol的尿素配制而成。

进一步地，铁盐包括九水合硝酸铁。

进一步地，步骤(1)中，反应液在室温下静置反应1h～6h。

进一步地，步骤(1)中，分离是离心分离；后处理是依次进行清洗干燥、固化和二次清洗干燥。

进一步地，清洗干燥以及二次清洗干燥均是将沉淀物清洗至上清液pH值为6.5～7.5，然后在60℃干燥12h。