1.技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種雜原子原位摻雜碳基催化劑的制備方法及其在燃料電池中的應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無模板合成多孔結(jié)構(gòu)催化劑和多雜原子摻雜的離子液體前驅(qū)體的合成方法及其作為燃料電池陰極催化劑的應(yīng)用技術(shù)。
2.
背景技術(shù)：
燃料電池因具有高效率、零污染等優(yōu)點，對解決目前面臨的問題，實現(xiàn)能源的多樣化意義重大，因此受到了研究者的廣泛關(guān)注。氧還原(orr)是燃料電池重要的電極反應(yīng)，由于其反應(yīng)動力學(xué)緩慢，活化能高，需要使用pt基催化劑來促使氧還原反應(yīng)的發(fā)生，已成為限制這類能源的重要因素。所以開發(fā)高效，廉價的催化劑是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，目前主要有兩大類，一類是地殼中豐富的過渡金屬(fe、co、ni等)；另一類是含雜原子n、b、s、p等的碳材料。從實際角度出發(fā)，解決的最優(yōu)方案則是用非金屬催化劑。
近年不含金屬的雜原子摻雜的碳材料，由于其具有高的催化活性、長期的穩(wěn)定性和廉價的原材料而被廣泛關(guān)注。各種雜原子摻雜的碳材料如n摻雜的碳納米管，n摻雜的石墨烯作為氧還原催化劑也有很高的催化活性。然而，現(xiàn)有雜原子摻雜的催化劑活性和穩(wěn)定性有待進一步提高，隨著綠色化學(xué)興起而發(fā)展的離子液體中可以對雜原子進行原位摻雜且陰陽離子結(jié)構(gòu)廣泛可調(diào)，因而使的這類雜原子摻雜的離子液體制得的催化劑活性位點的密度更大。
本專利提出了一種簡便的路線去合成利用雜原子原位摻雜而獲得碳基氧還原催化劑，并用這種多種雜原子摻雜可以催化劑的催化活性。利用這種方法制得的樣品具有比表面積大、活性位點暴露充分等特點，同時也開發(fā)了一種簡單合成多孔結(jié)構(gòu)催化劑的方法，獲得了性能優(yōu)良的非金屬催化劑。
3
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于開發(fā)一種雜原子原位摻雜的碳材料，應(yīng)用于燃料電池陰極氧還原，該催化劑制備過程中形貌可控以及雜原子摻雜靈活多變，對催化活性的提高有很大的幫助。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
一種雜原子原位摻雜碳基催化劑的合成方法，包括以下步驟：
步驟1.含雜原子前驅(qū)體的合成；
步驟2.在惰性氣氛下對上述合成的材料進行熱解處理，獲得催化材料；
步驟3.將上述催化材料研磨成粉末，制得樣品。
而且，所述步驟1中前驅(qū)體中作為陽離子的物質(zhì)為1-甲基咪唑、1-乙烯基咪唑、三聚氰胺、尿素、吡啶、聚乙烯吡咯烷酮等中的至少一種，作為陰離子的物質(zhì)為硫酸、硝酸、磷酸、磷酸二甲酯、氟硼酸、硼酸、苯磺酸、對苯二甲酸、鹽酸等中的一種或兩種以上的混合物。
而且，所述步驟2中前驅(qū)體中熱解溫度為400～1100攝氏度。
本發(fā)明中合成的催化材料應(yīng)用于陰極氧還原。
4附圖說明
圖1為實施例一中制備的催化劑在0.1mol飽和氮氣koh溶液中的產(chǎn)氫測試結(jié)果。
5具體實施方式
以下給出本發(fā)明的4個最佳實施例。
實施例一：
(1)在單口燒瓶中加入0.1mol的1-甲基咪唑，隨后緩慢滴加0.1mol的硫酸酸，常溫攪拌1h，升溫至50℃并攪拌4h，得粘稠狀液體。
(2)取一部分上述粘稠狀液體，在管式爐中以n2為保護氣進行熱解處理，先用1h從室溫升至100攝氏度，隨后以5℃/min升溫至560℃煅燒一小時后自然冷卻，得到黑色固體。
(3)將上述固體研磨后，取7.5mg與150μlnafion溶液和1350μl無水乙醇溶液混合后超聲1h后配得催化劑漿液，取10μl漿液滴加到玻碳電極上，干燥3h后進行電化學(xué)測試，主要有循環(huán)伏安(cv)、線性掃描(lsv)、交流阻抗(eis)等。
(4)測試結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)制備的催化劑還具有較好的產(chǎn)氫活性(見圖1)。
實施例二：
(1)在單口燒瓶中加入1-甲基咪唑、1-乙烯基咪唑、三聚氰胺、尿素、吡啶、聚乙烯吡咯烷酮等中的至少一種，隨后緩慢滴加等摩爾的硫酸，常溫攪拌1h，升溫至50℃并攪拌4h，得粘稠狀液體。
(2)取一部分上述粘稠狀液體，在管式爐中以n2為保護氣進行熱解處理，先用1h從室溫升至100攝氏度，隨后以5℃/min升溫至560℃煅燒一小時后自然冷卻，得到黑色固體。
(3)將上述固體研磨后，取7.5mg與150μlnafion溶液和1350μl無水乙醇溶液混合后超聲1h后配得催化劑漿液，取10μl漿液滴加到玻碳電極上，干燥3h后進行電化學(xué)測試，主要有循環(huán)伏安(cv)、線性掃描(lsv)、交流阻抗(eis)等。
實施例三：
(1)在單口燒瓶中加入1-乙烯基咪唑，隨后緩慢滴加等摩爾的磷酸二甲酯、氟硼酸、苯磺酸、對苯二甲酸等中的一種或兩種以上的混合物，常溫攪拌1h，升溫至50℃并攪拌4h，得粘稠狀液體。
(2)取一部分上述粘稠狀液體，在管式爐中以n2為保護氣進行熱解處理，先用1h從室溫升至100攝氏度，隨后以5℃/min升溫至560℃煅燒一小時后自然冷卻，得到黑色固體。
(3)將上述固體研磨后，取7.5mg與150μlnafion溶液和1350μl無水乙醇溶液混合后超聲1h后配得催化劑漿液，取10μl漿液滴加到玻碳電極上，干燥3h后進行電化學(xué)測試，主要有循環(huán)伏安(cv)、線性掃描(lsv)、交流阻抗(eis)等。
實施例四：
(1)在單口燒瓶中加入1-乙烯基咪唑，隨后緩慢滴加等摩爾的硫酸、硝酸、磷酸、硼酸、鹽酸等中的一種或兩種以上的混合物，常溫攪拌1h，升溫至50℃并攪拌4h，得粘稠狀液體。
(2)取一部分上述粘稠狀液體，在管式爐中以n2為保護氣進行熱解處理，先用1h從室溫升至100攝氏度，隨后以5℃/min升溫至560℃煅燒一小時后自然冷卻，得到黑色固體。
(3)將上述固體研磨后，取7.5mg與150μlnafion溶液和1350μl無水乙醇溶液混合后超聲1h后配得催化劑漿液，取10μl漿液滴加到玻碳電極上，干燥3h后進行電化學(xué)測試，主要有循環(huán)伏安(cv)、線性掃描(lsv)、交流阻抗(eis)等。