[发明专利]一种单原子分散三元素掺杂碳纳米带的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及电池催化剂技术领域，具体涉及一种单原子分散三元素掺杂碳纳米带的制备方法及其应用。所述方法包括：（1）将三聚氰胺或双氰胺与乙二醇混合后边搅拌边滴加硝酸溶液，反应完成后分离出其中的固体产物，即得三聚氰胺纤维或双氰胺纤维；（2）将所述三聚氰胺纤维或双氰胺纤维浸泡于乙醇中，然后向乙醇中继续加入碳源、杂原子源和金属源，搅拌均匀后静置，得到三元素前体包覆的三聚氰胺纤维或双氰胺纤维。（3）将该三元素前体包覆的三聚氰胺纤维或双氰胺纤维碳化，即得。本发明制备碳纳米带各种元素掺杂均匀且呈单原子分散，掺杂元素的含量和种类可控，可用于电池、光催化、催化氧化、气体传感器和药物输运领域。

技术领域

本发明涉及电池催化剂技术领域，具体涉及一种单原子分散三元素掺杂碳纳米带的制备方法及其应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

化石燃料的大量燃烧导致全球污染日益严重，发展环境友好可持续的新型能源有望缓解这一问题。质子交换膜燃料电池和新空电池等由于具有高的理论能量密度和低排放的特点引起了广泛关注，然而阴极氧还原反应缓慢的动力学过程严重制约了其整体性能。铂基材料可以高效地催化氧还原反应，然而其高昂的价格和低稳定性阻碍了大规模商业化发展。因此，开发高活性低成本的新型催化剂具有重要意义。

金属单原子催化剂是以固定在特定载体上的孤立金属原子作为催化活性位点，是一种极具潜力的新型催化剂。在单原子的众多载体中，以石墨烯、碳纳米管、碳纳米带为代表的碳材料由于具有优异的导电性和稳定性，是近年来单原子载体的研究热点，其中碳纳米带由于具有较大的比表面积、化学性质稳定等优点备受关注。此外，在碳材料中引入氮原子形成双元素掺杂可以带来锚定位点，固定金属单原子，形成M-N-C位点；研究显示，M-N-C位点在电催化氧还原方面展现较为优异的催化性能。然而，M-N-C的稳定性却不甚理想，无法满足日益增长的实际应用需求。研究表明，对催化活性位点的精确调控可以进一步优化催化活性，如在M-N-C催化剂表面掺杂杂原子形成三元素掺杂可以调控电子结构，提高催化性能。然而，目前制备单原子分散三元素掺杂的碳纳米带的流程较为复杂，制备成本较高，且掺杂的元素种类及含量不可控，严重阻碍了金属单原子催化剂进一步发展。

发明内容

本发明的目的是克服目前单原子分散三元素掺杂碳纳米带制备工艺复杂，制备成本较高，难以工业化以及制备的单原子分散三元素掺杂碳纳米带中各种元素含量和种类不可控的问题。为此，本发明提供一种简便通用的单原子分散三元素掺杂碳纳米带的制备方法。为实现上述目的，本发明公开如下的技术方案：

在本发明的第一方面，提供一种单原子分散三元素掺杂碳纳米带的制备方法，包括如下步骤：

（1）将三聚氰胺或双氰胺与乙二醇混合后边搅拌边滴加硝酸溶液，反应完成后分离出其中的固体产物，即得三聚氰胺纤维或双氰胺纤维。

（2）将所述三聚氰胺纤维或双氰胺纤维浸泡于乙醇中，然后向乙醇中继续加入碳源、杂原子源和金属源，搅拌均匀后静置，即通过浸渍法得到三元素前体包覆的三聚氰胺纤维或双氰胺纤维。

（3）将该三元素前体包覆的三聚氰胺纤维或双氰胺纤维碳化，即得。

进一步地，步骤（1）中，所述三聚氰胺或双氰胺、乙二醇、硝酸的比例依次序为1~25g：50~1000ml：0.25×10^-3~1mol。

进一步地，步骤（1）中，可以采用抽滤、过滤、离心等方法中的任意一种分离出反应液中的固体产物。

进一步地，步骤（2）中，按质量百分数计，所述碳源添加量为50~95%、杂原子源为10~45%.、金属源为0.1~5%。

可选地，步骤（2）中，所述碳源包括聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯胺、硼酸、三乙基硼烷等中的至少一种。