一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和应用。其制备方法为：以2‑氨基‑对苯二甲酸和铝盐作为原料，采用溶剂热合成方法制备金属铝‑有机框架材料，将金属铝‑有机框架材料置于N,N‑二甲基甲酰胺中煮沸一段时间后过滤，将过滤后的沉淀干燥获得前驱体，将前驱体在700～1000℃、惰性气体氛围下进行焙烧，然后进行酸处理即可获得氮掺杂碳纳米材料，其中，溶剂热合成方法采用的溶剂为能和水互溶的有机溶剂与水的混合物。该制备方法制备的氮掺杂碳纳米材料具有优良的氧还原催化活性、较好的起始电位和极限电流、稳定的抗甲醇性能，其电子转移数接近四电子转移途径。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和应用
本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和应用。
技术介绍
燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70％要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100％，装置无论大小实际发电效率可达40％～60％，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80％，装置为积木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和火力发电厂相比，非常灵活。燃料电池由于其优越的性能而被广泛的关注和研究，先现有燃料电池的研究，燃料电池的氧还原催化剂大多使用贵金属和非贵金属催化剂。贵金属催化剂主要包括铂、钯等，有着比较好的催化性能但价格比较昂贵；非贵金属催化剂主要包括铁、钴等，催化性能良好但稳定性比较差，这两者均存在不足之处。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的之一是提供一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法，该制备方法制备的氮掺杂碳纳米材料具有优良的氧还原催化活性、较好的起始电位和极限电流、较好的稳定性以及抗甲醇性能，其电子转移数接近四电子转移途径。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法，以2-氨基-对苯二甲酸和铝盐作为原料，采用溶剂热合成方法制备金属铝-有机框架材料，将金属铝-有机框架材料置于N,N-二甲基甲酰胺中煮沸一段时间后过滤，将过滤后的沉淀干燥获得前驱体，将前驱体在700～1000℃、惰性气体氛围下进行焙烧，然后进行酸处理即可获得氮掺杂碳纳米材料，其中，溶剂热合成方法采用的溶剂为能和水互溶的有机溶剂与水的混合物。本专利技术首先制备了金属铝-有机框架材料，然后通过金属铝-有机框架材料中的空隙吸收N,N-二甲基甲酰胺，然后在经过700～1000℃焙烧酸处理获得的氮掺杂碳纳米材料具有优良的氧还原催化活性、较好的起始电位和极限电流、较好的稳定性以及抗甲醇性能。本专利技术的目的之二是提供一种上述制备方法获得的氮掺杂碳纳米材料。本专利技术的目的之三是提供一种上述氮掺杂碳纳米材料在作为燃料电池的氧还原催化剂中的应用。本专利技术的目的之四是提供一种燃料电池，将上述氮掺杂碳纳米材料作为氧还原催化剂。本专利技术的目的之五是提供一种上述氮掺杂碳纳米材料在电催化中的应用。本专利技术的有益效果为：本专利技术通过直接溶剂热法制备了纳米尺度金属铝-有机框架材料，并以此金属铝-有机框架材料为前驱体经过高温碳化制备了氮掺杂碳纳米材料催化剂材料。该催化剂材料在氧还原性能测试中具有较好的起始电位和电流密度，接近理想的四电子的转移反应，并且在碱性溶液中显示了优良的稳定性和抗甲醇性能。本专利技术合成的非金属氧还原催化剂材料的发展和应用在燃料电池方面有着重要的前景。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为电子显微镜图片，其中，a：N-C-Al-900前驱体的扫描电镜图，b：N-C-Al-900的扫描电镜图，c：N-C-Al-900前驱体的透射电镜图，d：N-C-Al-900的透射电镜图。；图2为N-C-Al-900的XRD谱图。图3为N-C-Al-900的元素种类谱图图4为N-C-Al-900的高分辨XPS能谱，其中，a：N1s的高分辨XPS能谱，图4b：C1s的高分辨XPS能谱。图5为N-C-Al-900的Raman谱图。图6为N-C-Al-900的BET谱图。图7为不同温度下的材料在氧气饱和的0.1mol·L-1KOH溶液中的线性扫描曲线。图8中，a：N-C-Al-900修饰电极在扫描速度为50mV·s-1的循环伏安曲线；b：N-C-Al-900、Pt/C、NH2-MIL-53(Al)在转速为1600rpm时的线性扫描曲线，扫描速度为5mV·s-1；c：N-C-Al-900在不同转速下的线性扫描曲线；d：N-C-Al-900的Koutecky-Levich(K-L)曲线。图9为N-C-Al-900修饰电极和商业Pt/C在氧气饱和的0.1mol·L-1KOH溶液中的稳定性测试(a)和甲醇抗性测试(b)。图10为不同水与DMF体积比处理后的材料在氧气饱和的0.1mol·L-1KOH溶液中的线性扫描曲线。图11为酸化前后的材料在氧气饱和的0.1mol·L-1KOH溶液中的线性扫描曲线。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。本申请所述的铝盐为溶解于水中电离出铝离子的化合物，如氯化铝、硫酸铝、硝酸铝等。本申请所述的溶剂热合成方法是指在密封的压力容器中，以能和水互溶的有机溶剂与水的混合物为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。本申请所述惰性气体是指难以与有机物或碳发生燃烧反应的气体，如氮气、氩气等。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在贵金属催化剂价格昂贵、非贵金属催化剂稳定性差的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和应用。本申请的一种典型实施方式，提供了一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法，以2-氨基-对苯二甲酸和铝盐作为原料，采用溶剂热合成方法制备金属铝-有机框架材料，将金属铝-有机框架材料置于N,N-二甲基甲酰胺中煮沸一段时间后过滤，将过滤后的沉淀干燥获得前驱体，将前驱体在700～1000℃、惰性气体氛围下进行焙烧，然后进行酸处理即可获得氮掺杂碳纳米材料，其中，溶剂热合成方法采用的溶剂为能和水互溶的有机溶剂与水的混合物。本申请首先制备了金属铝-有机框架材料，然后通过金属铝-有机框架材料中的空隙吸收N,N-二甲基甲酰胺，然后在经过700～1000℃焙烧酸处理获得的氮掺杂碳纳米材料具有优良的氧还原催化活性、较好的起始电位和极限电流、稳定的抗甲醇性能。采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)进行煮沸除去残留在孔中的水分子或未反应的配体，同时不会溶解金属铝-有机框架材料，避免破坏材料结构，达到活化的作用。优选的，所述2-氨基-对苯二甲酸与铝盐的摩尔比为1:1～2。进一步优选为1:1。优选的，所述溶剂热合成方法采用的溶剂为水与N,N-二甲基甲酰胺的混合物。DMF是作为有机溶剂使用的，其极性适宜，可以与水互溶且可溶解反应物。进一步优选的，所述水与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:1、1:3、1:4。更进一步优选为1:1。经过实验验证和分析，上述比例的水和N,N-二甲基甲酰胺制备得到的氮掺杂碳纳米材料的电催化氧还原性能最佳。优选的，将2-氨基-对苯二甲酸溶解于水与N,N-二甲基甲酰胺的混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法，其特征是，以2‑氨基‑对苯二甲酸和铝盐作为原料，采用溶剂热合成方法制备金属铝‑有机框架材料，将金属铝‑有机框架材料置于N,N‑二甲基甲酰胺中煮沸一段时间后过滤，将过滤后的沉淀干燥获得前驱体，将前驱体在700～1000℃、惰性气体氛围下进行焙烧，然后进行酸处理即可获得氮掺杂碳纳米材料，其中，溶剂热合成方法采用的溶剂为能和水互溶的有机溶剂与水的混合物。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法，其特征是，以2-氨基-对苯二甲酸和铝盐作为原料，采用溶剂热合成方法制备金属铝-有机框架材料，将金属铝-有机框架材料置于N,N-二甲基甲酰胺中煮沸一段时间后过滤，将过滤后的沉淀干燥获得前驱体，将前驱体在700～1000℃、惰性气体氛围下进行焙烧，然后进行酸处理即可获得氮掺杂碳纳米材料，其中，溶剂热合成方法采用的溶剂为能和水互溶的有机溶剂与水的混合物。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述2-氨基-对苯二甲酸与铝盐的摩尔比为1:1～2；优选为1:1。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述溶剂热合成方法采用的溶剂为水与N,N-二甲基甲酰胺的混合物；优选的，所述水与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:1、1:3、1:4；进一步优选为1:1。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，将2-氨基-对苯二甲酸溶解于水与N,N-二甲基甲酰胺的混合液中制备成2-氨基-对苯二甲酸溶液，将铝盐溶解于水与N,N-二甲基甲酰胺的混合液中制备成铝盐溶液，将2-氨基-对苯二甲酸溶液与铝盐溶液混合后采用溶剂热合成方法进行反应；优选的，将3.1mmol2-...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宗花，张艳，周瑜，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东,37