氧还原催化剂及其制备方法、氧还原电极和电池技术

本申请公开了一种氧还原催化剂及其制备方法、氧还原电极和电池，本发明专利技术阴离子功能化的聚离子液体作为前驱体从而制备具有卷曲结构的氮氟磷三掺的炭纳米片材料作为氧还原催化剂。使用本发明专利技术的方法，能得到一种卷曲碳纳米片催化剂，使其比表面得以显著提高，并能使其活性位点数明显增多，使碳的sp2电子得到活化，从而使其催化性能得以明显提高。

【技术实现步骤摘要】
氧还原催化剂及其制备方法、氧还原电极和电池
本申请涉及一种氧还原催化剂及其制备方法、氧还原电极和电池。
技术介绍
环境污染，能源短缺等问题在当今社会受到越来越受到人们的关注，因此为了解决这一问题我们就必须找出一种新型绿色的能源。而具有较高能量密度和较低污染物排放等优点的金属-空气电池以及燃料电池被认为是一种极具潜力的替代电源。对于这两种电池而言，其中氧还原反应是一种重要的电极反应(Chang,C.；Wen,T.Aninvestigationofthermallypreparedelectrodesforoxygenreductioninalkalinesolution.Mater.Chem.Phys.1997,47,203.)，在电池反应中有着十分重要的影响。但由于这个反应活化能较大，从而导致反应难度偏大，因此为了促进电极反应使其得以发生，在多数情况下就需要使用大量贵金属催化剂，尤其是Pt催化剂，以保证电池的正常工作。但是贵金属催化剂不仅价格高且地壳中储量稀少，从而导致电源成本很高，使得广泛应用这类电源的进程受到了极大的限制。此前已有很多研究人员进行了许多工作来减少贵金属用量已解决这个问题。但长远看来，寻找非贵金属催化剂以代替贵金属催化剂才能最终解决这一问题。(Chen,Z.W.；Higgins,D.；Yu,A.P.；Zhang,L.；Zhang,J.J.Areviewonnon-preciousmetalelectrocatalystsforPEMfuelcells.EnergyEnviron.Sci.2011,4,3167)。对非贵金属催化剂的研究始于上世纪60年代(Jasinski.Anewfuelcellcathodecatalyst.Nature1964,201,1212)，到目前为止已得到了多种可行的非贵金属催化剂，基于金属氧化物的掺氮碳材料来作为非贵金属催化剂则是其中最有希望的一种，但这类催化剂在性能上仍需进一步提高。此外还有一类无金属掺氮碳材料催化剂也受到诸多关注，多种因素影响其性能，催化剂前驱体、催化剂的微观结构等是其中较为重要的影响因素。近些年，掺氮碳纳米管，掺氮石墨烯等一些具有微观结构的掺氮碳材料作为氧还原的非金属催化剂受到越来越多的关注(Gong,K.,Du,F.,Xia,Z.,Durstock,M.&Dai,L.Nitrogen-dopedcarbonnanotubearrayswithhighelectrocatalyticactivityforoxygenreduction.Science323,760–764(2009).Liu,R.,Wu,D.,Feng,X.&Müllen,K.Nitrogen-dopedorderedmesoporousgraphiticarrayswithhighelectrocatalyticactivityforoxygenreduction.Angew.Chem.Int.Ed.49,2565–2569(2010).Wang,S.etal.BCNgrapheneasefficientmetal-freeelectrocatalystfortheoxygenreductionreaction.Angew.Chem.Int.Ed.51,209–4212(2012).但是这些碳材料也有不易制备，价格不便宜等一些缺点。因此，廉价易得性能可观的碳材料的开发以用作氧还原的催化剂就显得十分重要。当前离子液体作为新型催化剂前驱体而受到了广泛关注，离子液体中重要的一类就是聚离子液体，其兼具离子液体和聚合物的共同优势，最近也有将其用作催化剂前躯体的研究(Gao,JianMa,Na，Zhai,Junfeng，Li,Tianyan，Qin,Wei，Zhang,TingtingYin,Zhen，PolymerizableIonicLiquidasNitrogen-DopingPrecursorforCo-N-CCatalystwithEnhancedOxygenReductionActivity，Ind.Eng.Chem.Res,2015,54,7984)。但现有研究中离子液体多数用于含金属的催化剂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种成本较低且环境友好并能作为非金属催化剂前驱体的碳材料。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本申请实施例公开一种氧还原催化剂，其为具有卷曲结构的氮氟磷三掺的炭纳米片。优选的，在上述的氧还原催化剂中，起始电位为0.9VRHE。本申请实施例还公开了一种氧还原电极，其具有：气体扩散层、和配置在所述气体扩散层上的催化剂层，所述催化剂层是所述的氧还原催化剂。优选的，在上述的氧还原电极中，所述气体扩散层为碳基板。本申请还公开了一种电池，包括：所述的氧还原电极，以及分别位于所述氧还原电极的外侧的隔板。优选的，在所述的电池中，该电池为燃料电池或金属-空气电池。本实施例还公开了一种氮氟磷三掺的炭纳米片的制备方法，在惰性气体保护下，于850～1000℃高温煅烧功能化可聚合咪唑类六氟磷酸盐离子液体单体，获得目标产物。优选的，在上述的氮氟磷三掺的炭纳米片的制备方法中，功能化可聚合咪唑类六氟磷酸盐离子液体单体的制备方法包括：将咪唑类阳离子、硝酸和六氟磷酸钠按照摩尔比(1～1.5):(1～1.5):(1～1.5)混合反应，咪唑类阳离子选自甲基咪唑、乙烯基咪唑、丙烯基咪唑中的一种或多种。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：利用本专利技术方法制得的样品具有卷曲的微观形貌，不但能使比表面得到提高，而且可以有效地增加其活性位点数目，使碳的sp2电子得到活化，从而具有良好的催化活性。且通过实验还发现所得的催化剂也具有产氧的催化性能，可用作一种催化氧还原和产氧两种反应的双功能催化剂。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1所示为本专利技术具体实施例1中线性扫描测试结果示意图；图2所示为本专利技术具体实施例2中线性扫描测试结果示意图；图3所示为本专利技术具体实施例3中线性扫描测试结果示意图；图4所示为本专利技术具体实施例4中线性扫描测试结果示意图。具体实施方式本专利技术以阴离子功能化的聚离子液体作为前驱体从而制备具有卷曲结构的氮氟磷三掺的炭纳米片材料作为氧还原催化剂，类似前驱体传统上多是普通的离子液体，且一般不能发生聚合，在阴离子方面也没有进行功能化。这类传统催化剂虽有一定催化性能，但其性能仍需提高。使用本专利技术的方法，能得到一种卷曲碳纳米片催化剂，使其比表面得以显著提高，并能使其活性位点数明显增多，使碳的sp2电子得到活化，从而使其催化性能得以明显提高。本专利技术通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本专利技术。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本专利技术，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本专利技术。实施例1：(1)在单口烧瓶中加入0.1mol甲基咪唑，随后滴加0.1mol硝酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧还原催化剂，其为具有卷曲结构的氮氟磷三掺的炭纳米片。

【技术特征摘要】
1.一种氧还原催化剂，其为具有卷曲结构的氮氟磷三掺的炭纳米片。2.根据权利要求1所述的氧还原催化剂，其特征在于：起始电位为0.9VRHE。3.一种氧还原电极，其具有：气体扩散层、和配置在所述气体扩散层上的催化剂层，所述催化剂层是权利要求1或2所述的氧还原催化剂。4.根据权利要求3所述的氧还原电极，其特征在于：所述气体扩散层为碳基板。5.一种电池，其特征在于：该电池为燃料电池或金属-空气电池，包括权利要求3或4所述的氧还原电极。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：高建，陆洪彬，
申请(专利权)人：海安南京大学高新技术研究院，南京大学，南通南京大学材料工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32