[发明专利]一种富含sp3

说明书

本发明属于催化剂材料领域，并具体公开了一种富含sp³杂化碳的无金属碳基催化剂及其制备方法，其以碳基材料或2‑甲基咪唑锌盐作为前驱体，利用气化的卤化盐对前驱体表面进行修饰，从而促使前驱体表面的sp²杂化碳转变为sp³杂化碳，完成无金属碳基催化剂的制备。本发明采用廉价的卤化盐，利用一步法即可得到表面含有大量本征碳缺陷的碳基催化剂，提高了催化活性位点的利用率，使催化剂具有较高的ORR活性和耐久性，同时本发明方法操作简便可控，且可以保证材料原有形貌不改变。

技术领域

本发明属于催化剂材料领域，更具体地，涉及一种富含sp³杂化碳的无金属碳基催化剂及其制备方法。

背景技术

燃料电池作为一种将化学能直接转换为电能的新能源技术，以其高效率、无污染、零排放等优点，在航空航天、新能源汽车、分布式供能系统等多领域都具有重要应用，被认为是21世纪最具有潜力的先进能源技术之一。目前，燃料电池阴极氧还原反应(ORR)催化剂面临着工作效率低、服役寿命短、成本高等制约其商业化应用的瓶颈问题。因此，开发廉价，高度稳定和有效的ORR电催化剂仍然十分紧迫。

自2009年首次报道氮掺杂碳纳米管阵列作为无金属ORR催化剂以来，由于其诸多优点，无金属碳基催化剂已成为ORR金属基催化剂的潜在替代品。无金属碳基ORR催化剂具有成本低，易于从各种富含碳的前驱体合成，高比表面积，高电导率和环境友好性等优点。通过异质原子掺杂，这些无金属碳基催化剂的ORR活性和耐久性得到了极大的提高，例如，氮元素掺杂被认为在破坏原始碳材料sp²杂化碳π共轭的完整性和引起电荷重新分布方面起着关键作用。除此之外，其他一些无掺杂的碳基催化剂也表现出相当大的ORR活性。大量研究表明，通过在碳基催化剂中引入丰富的本征碳缺陷(例如sp³杂化、空位等)已经成为激活原始的无金属碳基催化剂的有效策略。迄今为止，大多数能够造成碳缺陷的方法，包括热去除掺杂剂，高温H₂刻蚀，等离子刻蚀和模板法，都可以引起ORR活性的增加，但其较为复杂的工艺和条件不利于富含本征缺陷的碳基催化剂规模化生产和应用，且目前这些工艺制备的得到催化剂很少达到商业Pt/C的水平。因此，亟需一种用于合成具有高ORR活性和耐久性的富含缺陷碳基的方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种富含sp³杂化碳的无金属碳基催化剂及其制备方法，其目的在于，通过气相盐对碳基催化剂进行改性，气化盐选择性地修饰表面并避免破坏原始材料的整体结构，同时气相卤化盐促进sp²杂化碳向sp³杂化碳转变，从而使无序碳区域增加并形成更多的本征碳缺陷，从而提高了催化活性位点的利用率。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种富含sp³杂化碳的无金属碳基催化剂，包括如下步骤：

以碳基材料或2-甲基咪唑锌盐作为前驱体，利用气化的卤化盐对前驱体表面进行修饰，从而促使前驱体表面的sp²杂化碳转变为sp³杂化碳，完成富含sp³杂化碳的无金属碳基催化剂的制备。

作为进一步优选的，将粉末状的前驱体和卤化盐分别置于反应器的下游和上游，并在650℃～1300℃的温度下进行煅烧，使卤化盐粉末气化，进而对前驱体表面进行修饰。

作为进一步优选的，煅烧温度为950℃～1050℃。

作为进一步优选的，开始煅烧时，升温速率为5℃/min～10℃/min，煅烧时间为2h～3h。

作为进一步优选的，向反应器中通入惰性气体，通入惰性气体的流速为10sccm～300sccm。

作为进一步优选的，所述前驱体与所述卤化盐的质量比为10:1～1:10。