一种氮掺杂多孔类石墨碳纳米片及其制备和电催化应用制造技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂多孔类石墨碳纳米片及其制备和电催化应用，该碳纳米片具有薄片状形貌，丰富的氮掺杂量，大的孔体积且介孔占比高，整体呈高度石墨化。该碳纳米片以锰的金属氧化物纳米片为模板，以金属有机框架材料为碳源，二者形成一种类三明治型的夹层复合结构前驱材料，经无水无氧气氛下热解，酸处理除去模板，与氮源混合后再次退火制得。该制备方法具有原料易得，制备简单，生产成本低，易于宏量制备等优点，为由金属有机框架材料制备高石墨化程度的二维掺杂多孔碳材料提供了一个普适性的合成路线。同时本发明专利技术还公开了此高比表面且富介孔结构的氮掺杂多孔类石墨碳纳米片作为无金属型催化剂用于高效电催化氧气还原反应。

Nitrogen-doped porous graphite-like carbon nanosheets and their preparation and electrocatalytic applications

The invention discloses a nitrogen-doped porous graphite-like carbon nanosheet and its preparation and electrocatalytic application. The carbon nanosheet has a flaky morphology, abundant nitrogen-doped content, large pore volume and high mesoporous proportion, and is highly graphitized as a whole. The carbon nanosheet was prepared by pyrolysis in anhydrous and oxygen-free atmosphere, acid treatment, template removal and annealing after mixing with nitrogen source. The preparation method has the advantages of easy availability of raw materials, simple preparation, low production cost and easy preparation in large quantities. It provides a general synthetic route for preparing two-dimensional doped porous carbon materials with high graphitization degree from metal-organic framework materials. At the same time, the invention also discloses that the nitrogen-doped porous graphite-like carbon nanosheet with high specific surface area and rich mesoporous structure can be used as a metal-free catalyst for efficient electrocatalytic oxygen reduction reaction.

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂多孔类石墨碳纳米片及其制备和电催化应用
本专利技术涉及碳纳米材料的制备领域。具体地，涉及一种氮掺杂多孔类石墨碳纳米片及其制备和电催化应用。
技术介绍
燃料电池由于其能量转换效率高、低污染等优点，在能源转化方面具有优越的应用前景。但其内部的氧气还原反应速率过慢，需要贵金属铂等作为催化剂，这就使得这些电池的制备成本昂贵。同时，贵金属颗粒对电池中的甲醇燃料和一氧化碳产物等比较敏感，接触后易失活，因此在很大程度上限制了燃料电池和金属-空气电池的大规模生产及应用。而碳材料具有良好的物理化学稳定性、导电性及结构柔韧性，被广泛应用于能源、催化及生物医疗等领域。研究发现，其作为氧气还原反应催化剂具有较好的催化活性，另外它们对一氧化碳和甲醇不敏感。再者，它们来源广泛且价格低廉，这使得它们在电催化氧气还原方面具有较大的应用前景。但是对于氧化还原反应的起始电位、半波电位以及极限电流密度来说，这些纯碳纳米材料仍显不足。引入氮掺杂和孔结构对其改性修饰是提高其催化活性的一种有效途径。其中氮掺杂作为活性位点，孔结构作为物质及电子传递通道。因此，在制备碳纳米材料的过程中需要引入含氮前驱体。而金属有机框架材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂多孔类石墨碳纳米片，其特征在于，所述碳纳米片是以锰的氧化物纳米片为模板、金属有机框架材料为碳源制得；所述氮掺杂碳纳米片为薄片状形貌，孔体积大且富含介孔，整体呈高度石墨化。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂多孔类石墨碳纳米片，其特征在于，所述碳纳米片是以锰的氧化物纳米片为模板、金属有机框架材料为碳源制得；所述氮掺杂碳纳米片为薄片状形貌，孔体积大且富含介孔，整体呈高度石墨化。2.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔类石墨碳纳米片，其特征在于，所述碳纳米片横向大小为0.5～2μm，厚度为2～20nm。3.根据权利要求1所述碳纳米片的氮掺杂量为原子百分含量5％～10％；所述碳纳米片的比表面积为300～1600m2g-1，总孔体积大小为1.2～1.8cm3g-1，介孔占比80％以上。4.如权利要求1～3任一项所述的氮掺杂多孔类石墨碳纳米片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)锰的氧化物纳米片模板与金属有机框架材料复合形成的三明治夹层结构前驱材料的制备；2)将步骤1)中得到的三明治夹层结构前驱材料于常压、设定温度及无水无氧气氛下热解，然后于室温下酸洗处理5～12小时以除去无机模板，得到类石墨碳纳米片；3)将步骤2)中得到的类石墨碳纳米片与氮源均匀混合后再次在设定温度及无水无氧气氛下退火，即得到氮掺杂多孔类石墨碳纳米片。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述锰的氧化物包括MnO，MnO2，Mn2O3和Mn3O4；优选地，所述锰的氧化物纳米片模板为MnO2。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述金属有机框架材料的结构类型包括ZIF-8，ZIF-9，ZIF-67，ZIF-68，ZIF-69，ZIF-70，MOF-5，MOF-74，HKUST-1，UiO-66，UiO-67，MIL-53，MIL-88，MIL-100，MIL-101，MIL-125及上述结构的羟基，氨...

【专利技术属性】
技术研发人员：张林杰，鲁康龙，王瑞虎，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35