一種氮摻雜石墨炔、制備方法及其用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氮摻雜石墨炔、制備方法及其用途，具體 涉及一種氮摻雜石墨炔、制備方法及其用途，以及氮摻雜石墨炔復(fù)合材料、制備方法及其用 途，氮摻雜石墨炔和氮摻雜石墨炔復(fù)合材料均可作為氧還原催化劑材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃料電池因其優(yōu)越的性能和環(huán)境無(wú)污染性，一直是能源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。燃料電 池具有以下特點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化效率高；它直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過(guò)燃燒 過(guò)程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。燃料電池系統(tǒng)的燃料-電能轉(zhuǎn)換效率在45%~60%，而火 力發(fā)電和核電的效率大約在30%~40%。然而，由于其采用貴金屬鉬納米粒子作為電極催 化材料，燃料電池的發(fā)展受到很大限制。目前僅僅在航天航空等高科技領(lǐng)域得以應(yīng)用。燃 料電池中鉬材料的成本占整個(gè)燃料電池成本的40%左右。燃料電池中鉬催化劑主要用于電 池陰極用于催化氧氣的電化學(xué)還原。而且，鉬催化劑還具有另一大缺點(diǎn)，即抗甲醇毒化性較 差，從而大大降低了電池的使用效率。因此開(kāi)發(fā)具有高的氧氣還原催化活性、抗甲醇干擾和 高穩(wěn)定性的廉價(jià)的氧氣還原催化材料是各國(guó)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
[0003] 碳納米材料作為一類(lèi)新型的氧氣還原催化劑近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。氮摻 雜碳材料（包括活性炭、碳納米管與石墨烯）作為無(wú)金屬的氧氣還原反應(yīng)電催化劑受到 了人們廣泛的關(guān)注。它們?cè)陔姶呋鯕膺€原反應(yīng)中顯示了驚人的催化活性，其催化活性比 對(duì)應(yīng)非氮摻雜的碳材料顯著提高，接近甚至超過(guò)了商業(yè)化鉬/碳（Pt/C)的催化活性。美 國(guó)Dayton大學(xué)Dai Liming教授報(bào)道了一種氮摻雜碳納米管陣列作為高效氧氣還原催化 劑（Science，2009,323,760-763)。美國(guó) Standford 大學(xué)的 Dai Hongjie 教授報(bào)道了一種 負(fù)載四氧化三鈷的氮摻雜石墨烯作為高活性氧氣還原催化劑（Nature Material, 2011，10， 780-786)。
[0004] 在1997年，Haley等人提出了一種新型的2-D碳材料-石墨炔,其屬于非天然的 碳的同素異形體，同時(shí)具有sp與sp 2雜化的碳。完美的石墨炔是一種全碳分子，其結(jié)構(gòu)式 如下所示。
[0005]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種氮摻雜石墨炔，其特征在于，所述氮摻雜石墨炔具有在石墨炔骨架及邊緣引入 含氮官能團(tuán)或者用氮原子取代石墨炔原有碳原子從而形成的大分子結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求1所述的氮摻雜石墨炔，其特征在于，所述氮摻雜石墨炔中氮原子的原 子百分含量為1~50%，優(yōu)選5~45%，進(jìn)一步優(yōu)選10~40%。
3. -種如權(quán)利要求1或2所述的氮摻雜石墨炔的制備方法，其特征在于，所述方法包括 如下步驟： 將石墨炔粉末在含氮混合氣體中，在200~900°C加熱10~500分鐘后，自然冷卻，即 得氮摻雜石墨炔。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述加熱溫度為240~860°C，優(yōu)選310~ 810°C ； 優(yōu)選地，所述加熱時(shí)間為50~450分鐘，優(yōu)選100~400分鐘。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述含氮混合氣體為N2或/和惰性氣 體與NO、N02、NH 3或N2H4中的任意一種或者至少兩種的組合形成的混合氣體，所述NO、N0 2、 NH3或N2H4中的任意一種或者至少兩種的組合占含氮混合氣體的體積百分含量為1~70%， 優(yōu)選5~20% ; 優(yōu)選地,所述含氮混合氣體為N2和惰性氣體形成的混合氣體，所述N2占含氮混合氣體 的體積百分含量為1~70%，優(yōu)選5~20% ; 優(yōu)選地，所述惰性氣體為He、Ne、Ar、Kr、Xe或Rn中的任意一種或者至少兩種的組合。
6. -種氮摻雜石墨炔復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包括如權(quán)利要求1或2所述的氮摻雜石 墨炔及負(fù)載在氮摻雜石墨炔上的金屬納米粒子或/和半導(dǎo)體納米粒子。
7. 如權(quán)利要求6所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述金屬納米粒子選自四氧化三鐵、氧 化亞鐵、金、銀、鉬或鈀中的任意一種或者至少兩種的混合物； 優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體納米粒子選自氧化鈷、四氧化三鈷或氧化鐵中的任意一種或者至 少兩種的混合物； 優(yōu)選地，所述金屬納米粒子和半導(dǎo)體納米粒子的粒徑均獨(dú)立地為1~500nm，優(yōu)選1~ 50nm ； 優(yōu)選地，所述金屬納米粒子或/和半導(dǎo)體納米粒子的負(fù)載量為1~70%，優(yōu)選為1~ 50%，進(jìn)一步優(yōu)選為1~30%。
8. -種如權(quán)利要求6或7所述的氮摻雜石墨炔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述 方法包括如下步驟： 將金屬納米粒子或/和半導(dǎo)體納米粒子的水分散液和氮摻雜石墨炔混合均勻，即得到 氮摻雜石墨炔復(fù)合材料。
9. 一種如權(quán)利要求1或2所述的氮摻雜石墨炔的用途，其特征在于，所述氮摻雜石墨炔 用于氧還原催化劑材料。
10. -種如權(quán)利要求6或7所述的氮摻雜石墨炔復(fù)合材料的用途，其特征在于，所述氮 摻雜石墨炔復(fù)合材料用于氧還原催化劑材料。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種氧還原電催化劑氮摻雜石墨炔及其復(fù)合材料。本發(fā)明還涉及氮摻雜石墨炔的制備方法。將石墨炔粉末在含有含氮源的混合氣體中，在一定溫度下加熱，并保持一定的時(shí)間后自然冷卻，即獲得氮摻雜石墨炔材料。本發(fā)明所述催化劑材料活性高，較商業(yè)化的Pt/C催化劑具有輸出電流大，還原電位更正，抗甲醇干擾性強(qiáng)，穩(wěn)定性強(qiáng)等的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類(lèi)】B01J27-24, H01M4-90
【公開(kāi)號(hào)】CN104667953
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310632101
【發(fā)明人】張光晉, 劉榮基, 張雙雙
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2013年11月29日