过渡金属和氮共掺杂的多级孔道三维石墨烯的制备制造技术

发明专利技术了一种制备过渡金属和氮共掺杂的多级孔道三维石墨烯的制备方法。可溶性的全芳香性的聚苯并咪唑（PBI）为碳源和氮源，过渡金属盐与PBI溶液反应得到PBI与过渡金属离子形成的配合物，混合液中加入纳米碳酸钙做模板剂，混合均匀、浓缩、使配合物在模板剂表面涂饰并规则排列，热解、去除模板剂，得到过渡金属和氮共掺杂的多级孔道结构的三维石墨烯，多级贯通的孔道可以强化传质。PBI粘均分子量在2~4万；PBI与过渡金属盐的质量比为1:2~2:1；模板剂为碳酸钙，粒径30~100 nm；PBI与模板剂质量比为2:1~1:4；热解温度为800℃~1100℃。产品可用于氧化还原反应催化剂、燃料电池、金属空气电池氧还原催化剂、电解水氧析出催化剂、超级电容器等领域。

Preparation of three-dimensional graphene with transition metal and nitrogen doped multilevel channel

A method for preparing a three-dimensional porous graphene with a multistage channel for preparing transition metals and nitrogen codoped is developed. Soluble polyphenylene aromatic polybenzimidazole (PBI) as carbon source and nitrogen source, transition metal salt solution and PBI reaction of PBI complexes with transition metal ions, adding nano calcium carbonate mixture as template, mixing, concentrating, the complexes in the template surface finishing and rules arrangement, pyrolysis, templates, graphene 3D hierarchical transition metal and nitrogen Co doped, multistage through channel can strengthen mass transfer. PBI viscosity average molecular weight of 2~4 million; the quality of PBI and transition metal salt is 1:2~2:1; template agent of calcium carbonate, particle size of 30~100 nm and PBI; template ratio 2:1~1:4; pyrolysis temperature of 800 DEG ~1100 DEG C. Products can be used in redox reactions, catalysts, fuel cells, metal air batteries, oxygen reduction catalysts, electrolytic water oxygen evolution catalysts, supercapacitors, and other fields.

【技术实现步骤摘要】
过渡金属和氮共掺杂的多级孔道三维石墨烯的制备
属于纳米材料制备领域，用于化工生产中的氧化还原反应催化剂，清洁能源领域的燃料电池、金属空气电池的阴极催化剂，电解水催化剂，锂离子电池材料，超级电容器电极材料和电化学传感器等领域。
技术介绍
虽然二维石墨烯具有优异的性能和多种潜在的应用，然而，二维石墨烯之间又极易层-层相互叠加形成石墨结构，从而使其优异的性能丧失。因此，三维石墨烯的制备及性能研究成为当今纳米材料领域的研究热点。研究发现，氮掺杂的石墨烯由于石墨烯分子内C-N键间的极性，使石墨烯分子上的电子云密度发生变化，因此氮掺杂石墨烯催化氧还原等性能优于石墨烯。通过掺杂金属有助于活性位的增加，金属与氮的协同作用进一步提高了其催化性能，增强催化活性和提高稳定性（ZhaoY,etal.JAmChemSoc(美国化学会志)，2012,134:19528）。因此金属-氮-碳原子簇（M-N-C）研究受到重视，研究表明，石墨烯中掺杂氮和过渡金属（如铁，钴等）后，会形成更多的活性位点，从而会进一步提高产品催化氧还原催化活性。特别是形成三维结构的过渡金属和氮共掺杂的催化剂，能更好地保持其二维片层结构而不发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用可溶性的全芳香性的聚苯并咪唑（PBI）高分子与过渡金属离子形成的配合物涂饰在纳米模板剂碳酸钙表面，热解、去除模板等工艺制备过渡金属和氮共掺杂的多级孔道贯通的三维石墨烯的制备方法，其特征在于：PBI为全芳香性的可溶性的，PBI溶液与过渡金属盐混合反应得到配合物，加入纳米碳酸钙模板剂，搅拌混合均匀，使PBI与过渡金属离子形成的配合物在模板剂表面涂饰并规则排列，惰性气体保护下热解，发生脱氢‑环化‑碳化等热化学过程，去除模板剂，得到过渡金属和氮共掺杂多级孔道贯通的三维石墨烯；所述的过渡金属和氮共掺杂多级孔道贯通的三维石墨烯用于氧化还原反应催化剂、燃料电池、金属空气电池氧还原催化剂、电解水氧析出催...

【技术特征摘要】
1.一种用可溶性的全芳香性的聚苯并咪唑（PBI）高分子与过渡金属离子形成的配合物涂饰在纳米模板剂碳酸钙表面，热解、去除模板等工艺制备过渡金属和氮共掺杂的多级孔道贯通的三维石墨烯的制备方法，其特征在于：PBI为全芳香性的可溶性的，PBI溶液与过渡金属盐混合反应得到配合物，加入纳米碳酸钙模板剂，搅拌混合均匀，使PBI与过渡金属离子形成的配合物在模板剂表面涂饰并规则排列，惰性气体保护下热解，发生脱氢-环化-碳化等热化学过程，去除模板剂，得到过渡金属和氮共掺杂多级孔道贯通的三维石墨烯；所述的过渡金属和氮共掺杂多级孔道贯通的三维石墨烯用于氧化还原反应催化剂、燃料电池、金属空气电池氧还原催化剂、电解水氧析出催化剂、超级电容器等。2.根据权利要求1所述的全芳香性的PBI，其特征在于：整个聚合物分子形成一个大π键，分子属于刚性、芳香型化合物，如聚（2,5-苯并咪唑）（ABPBI）、聚[2,2’-(间苯基)-5,5’-联苯并咪唑](mPBI)等等；其结构式如下：ABPBI的结构式mPB...

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠芳，王素文，张廷尉，卢雪伟，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37