[发明专利]一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于多孔碳材料的技术领域，公开了一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法与应用。所述方法：1)在含有水的混合溶剂中，将三嵌段共聚物F127、有机氮源、氯化镁以及高铁酸钾混合，加入琼脂糖混匀，冷却形成水凝胶，冷冻干燥，获得干凝胶；2)将干凝胶进行碳化处理，获得氮掺杂多孔碳材料；所述碳化处理为将干凝胶于800～900℃碳化；或者所述碳化处理为将干凝胶进行一次碳化，酸处理，二次碳化。本发明的方法简单，所获得的氮掺杂多孔碳材料具有较大比表面积，较多的缺陷位以及较高的氮掺杂量，具有优异的氧还原性能。本发明的氮掺杂多孔碳材料在电催化氧还原反应中的应用，作为氧还原反应电催化剂。

技术领域

本发明属于多孔碳材料领域，具体涉及一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

现代生活与社会的发展离不开能源，基于化石燃料的能源系统正面临着化石燃料枯竭，二氧化碳排放量高等一系列问题，我们需要寻找新的洁净可再生能源以及高效的能量储存转化装置，以革新能源系统。超级电容器与燃料电池是具有发展前景的能量储存转化装置。目前，造价高昂、寿命不足和效率低下等弊端极大限制了燃料电池的大范围推广。氧还原反应是燃料电池阴极的常见反应，很大程度上决定了燃料电池的性能与寿命。目前已经开发了很多适合于氧还原反应的电催化剂，其中无金属的纳米碳材料因其优异的活性、高导电性和流动性、可调的结构和表面化学性质、简便的制备方法和经济可行性等优势而成为了人们研究的重点。

但是现有的碳材料作为氧还原反应的电催化剂时，其氧还原催化性能仍有待提高。同时富含缺陷的碳材料，即使在没有其他元素掺杂的情况下，仍具有优秀的氧还原反应活性，这说明缺陷位的适当增加对于氧还原性能具有一定的促进作用。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法。本发明的氮掺杂多孔碳材料具有较好电催化氧还原反应性能。

本发明的另一目的在于提供上述氮掺杂多孔碳材料的应用。所述氮掺杂多孔碳材料在电催化氧还原反应中的应用，作为氧还原反应电催化剂，特别是燃料电池阴极中的催化剂。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

1)在含有水的混合溶剂中，将三嵌段共聚物F127、有机氮源、氯化镁以及高铁酸钾混合，加入琼脂糖混匀，冷却形成水凝胶，冷冻干燥，获得干凝胶；

2)将干凝胶进行碳化处理，获得氮掺杂多孔碳材料。

所述氯化镁为含结晶水或无结晶水的氯化镁；所述含结晶水的氯化镁为MgCl₂·6H₂O。

所述有机氮源为三聚氰胺(C₃N₃(NH₂)₃)。

所述混合溶剂为水和乙醇的混合溶剂，水与乙醇的体积比为(1～1.5)：1。

所述三嵌段共聚物F127、有机氮源与高铁酸钾的质量比为(1.4～1.6)：(3～5)：(1.95～3.9)；所述高铁酸钾与氯化镁的摩尔比为(1～2)：1，优选为(1.2～1.7)：1；所述三嵌段共聚物F127与琼脂糖的质量比为(1.4～1.6)：(1.2～1.4)。

所述碳化处理为将干凝胶进行碳化；进一步地，所述碳化处理为将干凝胶进行一次碳化，酸处理，二次碳化。

所述一次碳化的温度为800～900℃。

更进一步地，所述一次碳化是指将干凝胶依次进行低温处理，中温处理和高温处理；低温处理的温度为170～200℃，中温处理的温度为340～360℃，高温处理的温度为800～900℃。