[发明专利]一种氮掺杂碳材料作为铂碳催化剂的碳载体在氢燃料电池中的应用

说明书

本发明涉及一种氮掺杂碳材料及其制备方法和应用，该材料的XPS分析中，只有一种氮的特征峰。本发明的氮掺杂碳材料作为铂碳催化剂的载体，可以显著提高铂碳催化剂的质量比活性和其稳定性。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂碳材料作为铂碳催化剂的碳载体在氢燃料电池中的应用。

背景技术

碳材料的来源广泛、性质丰富，已广泛用于各技术领域。在化学领域，碳材料既是重要的载体，也是常用的催化剂。碳元素的成键方式丰富，可以通过各种方式对碳材料改性，以期获得更佳的性能。

氧还原反应（ORR）是电化学领域的关键反应，例如在燃料电池和金属空气电池中，氧还原反应是影响电池性能的主要因素。对氧还原反应有催化作用的材料很多,但能实际应用的很少。掺杂原子的碳材料可直接用作氧还原反应的催化剂，通过杂原子的掺杂，可以改变碳材料的电荷分布，创造出更多的活性位点。尽管在一些研究结果中展现了较好的活性，但此类催化剂距离商业化应用还较远。一方面本领域对杂原子与碳材料的结合方式及其催化机理认识还不充分；另一方面杂原子与碳材料有多种结合方式，因此如何控制杂原子与碳材料的结合方式是掺杂原子的难点。另外，此类催化剂通常不适用酸性环境，特别是重要的质子交换膜燃料电池（PEMFC）。铂碳催化剂是更成熟的氧还原催化剂，是质子交换膜氢燃料电池的核心技术。在金属中，铂对氧还原反应的催化活性最高，但是铂的价格昂贵、资源稀少，是制约其大规模应用的瓶颈。

氮元素能以多种结构形式掺杂碳材料，比如吡啶氮、石墨氮、吡咯氮、氧化氮等，掺杂的形式不同，碳材料的性质也不同。迄今为止，未见有在碳材料表面仅掺杂吡咯型氮的文献报道，也未见有吡咯型氮与铂碳催化剂性能相关的文献报道。

到目前为止，最有效的氧还原催化剂是铂碳催化剂，本领域迫切希望大幅度提高其催化活性和稳定性，以期促进其大规模商业应用。影响铂碳催化剂活性、稳定性的因素很多且复杂，一些文献认为，铂碳催化剂的活性、稳定性与铂的粒径、形貌、结构，以及载体的种类、性质和铂载量有关。现有技术主要是通过控制铂的粒径、形貌、结构以及载体的比表面积、孔结构来改进铂碳催化剂的性能；也有文献报道在碳表面连上修饰基团，通过对碳载体改性来提高铂碳催化剂的性能。

前述背景技术部分所公开的信息仅用于加强对本发明的背景理解，它可以包括不属于本领域普通技术人员已知的信息。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种氮掺杂碳材料，其中碳材料的表面，氮基本以吡咯氮的形式与碳材料结合。本发明的第二个目的是提供一种适合做铂碳催化剂载体的碳材料。发明的第三个目的是提供一种适合做高载铂量铂碳催化剂载体的碳材料。

为了实现前述目的，本发明提供了如下的技术方案。

 1、一种氮掺杂碳材料，在其XPS分析的N1s谱峰中，除399ev～400.5ev之间有特征峰外，在395ev～405ev之间没有其他的特征峰。

 2、按照前述的氮掺杂碳材料，其特征在于，所述氮掺杂碳材料的XPS分析中，氮质量分数为0.1%～10%，优选为0.2%～5%，更优选为0.4%～1.5%。

 3、按照前述任一的氮掺杂碳材料，其特征在于，所述氮掺杂碳材料的XPS分析中，氧质量分数4%，优选为4%～15%。

 4、按照前述任一的氮掺杂碳材料，其特征在于，所述氮掺杂碳材料的电阻率10Ω·m，优选5Ω·m，更优选3Ω·m。

 5、按照前述任一的氮掺杂碳材料，其特征在于，所述氮掺杂碳材料的比表面10m²/g～2000m²/g。

 6、按照前述任一的氮掺杂碳材料，其特征在于，所述氮掺杂碳材料为氮掺杂的导电炭黑、氮掺杂的石墨烯或氮掺杂的碳纳米管。