專利名稱：氮摻雜石墨烯的制備及其氧還原性能的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及以富氮唑類化合物為氮源，氧化石墨為碳源合成氮摻雜碳非金屬氧還原催化劑材料。
背景技術(shù)：
燃料電池發(fā)電是繼火力和核能發(fā)電、水利之后的第四類發(fā)電技術(shù)。與其它電池相比，燃料電池具有操作方便、使用壽命長、發(fā)電效率高、污染小等優(yōu)點(diǎn)，被贊譽(yù)為“21世紀(jì)的清潔能源”，因而被認(rèn)為是未來便攜電子產(chǎn)品的主要替代能源之一。目前燃料電池陰極催化劑主要用Pt或Pt基合金催化劑，由于Pt資源匱乏，價(jià)格昂貴，造成電池成本過高，嚴(yán)重阻礙了燃料電池的商業(yè)化；而已商業(yè)化的直接甲醇燃料電池由于甲醇滲透導(dǎo)致陰極Pt催化齊U上發(fā)生電氧化，產(chǎn)生“混合電位”，且甲醇氧化產(chǎn)生的毒性中間體易使催化劑中毒，嚴(yán)重影響電池的輸出性能。因此開發(fā)具有高活性的非貴金屬甚至非金屬氧還原催化劑是目前燃料電池研究的難點(diǎn)之一。近年來，對碳材料的修飾，尤其是氮摻雜碳作為燃料電池非金屬還原氧催化劑引起了人們的廣泛興趣?，F(xiàn)有的氮摻雜碳的方法是以有機(jī)含氮化合物為氮源，將氮原子引入碳材料骨架中，由于電負(fù)性大的氮原子取代碳原子，能改善碳材料的結(jié)構(gòu)和性能，使碳材料的缺陷增多，活性位點(diǎn)增多，且含氮化合物氮含量越高，碳骨架中的石墨有序化程度越低，表面越粗糙，對氧的還原能力增強(qiáng)，但由于大部分摻雜的方法都是采用氣相沉積或高溫煅燒法，而大多數(shù)有機(jī)物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都比較低，在其制備過程中溫度過高，有機(jī)物瞬間被蒸發(fā)，難以和碳材料摻雜；然而，煅燒溫度過低，碳的石墨化較高，難以形成結(jié)構(gòu)缺陷，其催化性能較低，因此尋求更合理的氮源與碳材料有效摻雜，獲得具有優(yōu)良性能的非金屬氧還原催化劑成為現(xiàn)階段燃料電池研究的熱點(diǎn)。石墨烯是ー種新型的ニ維納米材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能在電容器、傳感器、鋰離子電池、燃料電池等方面很有應(yīng)用潛力。富氮型的唑類化合物氮的含量能達(dá)到80%，熔點(diǎn)在200 V以上，并且可以在較高的溫度下將氮原子引入石墨烯的骨架得到氮摻雜的石墨烯，通過與相鄰碳原子之間電子的相互轉(zhuǎn)移使氮原子帶正電荷，從而形成良好的電子接受體，很容易吸引陽極傳遞的電子進(jìn)而促進(jìn)氧氣的還原，大大提高了對氧還原催化性能，對燃料電池的發(fā)展有潛在的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種成本廉價(jià)、高效、循環(huán)壽命長、對環(huán)境無污染的非金屬氧還原催化劑。本發(fā)明提出的氮摻雜石墨烯氧還原催化劑的制備方法是在氮?dú)獗Ｗo(hù)下高溫煅燒一定質(zhì)量比的富唑類化合物和氧化石墨得到氮摻雜碳的非金屬氧還原催化劑材料。它將唑類化合物和石墨烯固有的結(jié)構(gòu)性質(zhì)有效的結(jié)合起來，克服了其他化合物的缺陷，不僅提高了氧還原催化性能，還具有操作簡單、成本低廉、循環(huán)壽命長，安全無污染，效率高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提出的氮摻雜石墨烯氧還原催化劑的制備方法如下
I、首先將富氮型的唑類化合物(主要為三氮唑和四氮唑及其衍生物)作為氮源，氧化石墨作為碳源，以不同的質(zhì)量比例混合，在瑪瑙研缽中研磨一定時(shí)間，再分別裝入瓷舟中。2、每個(gè)樣在不同的溫度、氮?dú)獗Ｗo(hù)下煅燒一定時(shí)間，得到氮摻雜石墨烯氧還原催化劑。3、通過對所制得的催化劑進(jìn)行電化學(xué)測試，對得到的氮摻雜石墨烯氧還原催化劑的催化能力進(jìn)行評價(jià)。



圖I為所制得樣品催化氧還原的CV曲線。圖2為所制氧還原催化劑N元素的XPS曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一
以5-氨基四氮唑一水合物為氮源，氧化石墨為碳源，將5-氨基四氮唑一水合物和氧化石墨以質(zhì)量比為25:1混合，在瑪瑙研缽中研磨5 min,裝入瓷舟中，放入管式爐氮?dú)獗Ｗo(hù)下700 V煅燒2 h，得到的氮摻雜氧化石墨烯。XPS光電子能譜證明N有效的摻雜入石墨烯中；電化學(xué)測試結(jié)果表面該材料有很好氧還原能力。實(shí)施例ニ
以4-氨基-1，2，4-三唑?yàn)榈?，氧化石墨為碳源，?-氨基-1，2，4-三唑?yàn)榈春脱趸再|(zhì)量比為50:1混合，在瑪瑙研缽中研磨5min，600 V煅燒2 h得到的氧還原催化劑具有很好的氧還原能力。
權(quán)利要求
1.以富氮唑類化合物為氮源，氧化石墨為碳源合成氮摻雜碳非金屬氧還原催化劑材料。
2.按權(quán)利要求書I所述，富氮唑類化合物主要包括5-氨基四氮唑一水合物、4-氨基-1，2，4-三唑、3，5- ニ氨甲基-4-氨基-1，2，4-三唑、3，5- ニ甲基-4-氨基-1，2，4-三唑；碳源為氧化石墨。
3.按權(quán)利要求書2所述，分別將不同的氮源和氧化石墨以不同的比例混合研磨，在一定溫度下氮?dú)獗Ｗo(hù)煅燒一定時(shí)間，制備不同氮摻雜碳非金屬氧還原催化劑。
4.按上述權(quán)利要求書所述，將合成的不同氮摻雜碳材料應(yīng)用于氧還原催化劑。
全文摘要
以富氮唑類化合物為氮源，氧化石墨為碳源，將一定質(zhì)量比的富氮唑類化合物和氧化石墨混合，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下一定溫度煅燒得到氮摻雜碳的非金屬氧還原催化劑，電化學(xué)測試表明得到的材料對氧還原具有較高的催化性能。它將唑類化合物和石墨烯固有的結(jié)構(gòu)性質(zhì)有效的結(jié)合起來，克服了其他化合物和碳摻雜的缺陷，不僅提高了氧還原催化性能，還具有操作簡單、成本低廉、循環(huán)壽命長，安全無污染，效率高等優(yōu)點(diǎn)，對燃料的發(fā)展具有潛在的應(yīng)用前景。
文檔編號B01J27/24GK102671686SQ201210174140
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者包淑娟, 張強(qiáng), 徐茂文, 魯振江 申請人:新疆大學(xué)