[发明专利]氮掺杂多孔炭材料的制备方法和氮掺杂多孔炭材料

说明书

本发明涉及氮掺杂多孔炭材料的制备方法、氮掺杂多孔炭材料、电催化剂和锂离子电池用电极材料。所述制备方法包括如下步骤：(1)准备如下原料：具有微介孔特性的多孔炭，三聚氰胺，可溶性亚硝酸盐和浓盐酸；(2)将以上原料溶于水中并持续搅拌以进行反应，得到反应产物；(3)将所述反应产物过滤，然后分别用乙酸和水进行洗涤并过滤，接着将所述反应产物烘干，得到烘干物；(4)在惰性气氛保护下，将所述烘干物升温并进行煅烧，得到所述氮掺杂多孔炭材料。本发明的制备方法工艺简单、安全性高、产率高。所得的氮掺杂多孔炭材料可提供较高的氧气还原反应催化活性。

技术领域

本发明涉及无机微纳米材料领域，特别是涉及一种表面具有较高的氧气还原催化性能的氮掺杂多孔炭材料的制备方法、由此制得的氮掺杂多孔炭材料、包含所述氮掺杂多孔炭材料的电催化剂和锂离子电池用电极材料。

背景技术

氮掺杂多孔炭材料因其在能源和环境领域的各种应用而受到广泛研究。最近的研究表明，存在于含碳结构中的杂原子，特别是氮原子，其可能参与电子交换过程，并有助于产生赝电容，从而改善诸如电化学电容材料等多孔炭的性质。不仅如此，氮掺杂多孔炭材料因其独特的性质也在环境修复、气体分离、重金属回收以及储氢等领域得到广泛应用。

氧气还原反应是燃料电池的正极的关键反应。燃料电池在运行时，电极将氧气还原成水的过程中需要转移四个电子，因此，优异的氧气还原反应电催化剂显得尤为重要。氮掺杂多孔炭材料用于电催化氧气还原领域时，尤其是其中的吡啶氮和石墨氮，更是提供了大量的催化活性位点，对催化氧气还原反应起到非常积极的作用。

截止目前，大多数氮掺杂多孔炭材料主要通过如下方法制得：将含氮有机物前体直接煅烧(参见非专利文献1)，或者将多孔炭与NH₃或者其他含氮有机物混合煅烧(参见非专利文献2)。

然而，直接煅烧含氮有机物前体很难控制氮原子完全处于材料的表面，因此氮原子利用率非常低。

将多孔炭与NH₃或者其他含氮有机物混合煅烧尽管可以直接得到表面N原子的掺杂，然而由于NH₃在高温煅烧时发生分解成氢气等，具有一定的危险，不利于操作。而且，对于含氮有机物混合煅烧，一方面在煅烧过程中氮原子被载气Ar或者N₂吹动从而流失严重，另一方面产生大量无效的含氮官能团，比如吡咯氮、氧化氮等，这些使得吡啶氮和石墨氮等的比例降低，从而导致催化等性能降低。

因此，急需提供一种简单的制备表面高催化活性的氮掺杂多孔炭材料的方法及所述氮掺杂多孔炭材料。

引用文献

非专利文献1：Angew Chem Int Ed,2015,54(2):588-593.

非专利文献2：International Journal of Hydrogen Energy,40(2015)16230-16237.

发明内容

技术问题

本发明的第一目的是提供一种具有表面高催化氧气还原反应活性的氮掺杂多孔炭材料的制备方法，所述制备方法能够提高氮原子利用率，避免工艺危险性，且提高产率。

本发明的第二目的是提供一种具有表面高催化氧气还原反应活性的氮掺杂多孔炭材料，所述氮掺杂多孔炭材料可通过上述制备方法制得。

本发明的第三目的是提供一种电催化剂，所述电催化剂包含上述氮掺杂多孔炭材料。

本发明的第四目的是提供一种锂离子电池用电极材料，所述电极材料包含上述氮掺杂多孔炭材料。

技术方案