一种过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂及制备方法，方法包括：将模板剂、碳源和氮源组成的前驱体溶液置于反应釜中，加热条件下得到氮掺杂碳纳米球粉末；将氮掺杂碳纳米球与过渡金属盐溶液超声后进行真空干燥，得到过渡金属/氮掺杂碳纳米球粉末；将过渡金属/氮掺杂碳纳米球粉末在惰性气体中进行碳化处理，得到过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂。本发明专利技术的制备方法通过调节氮源含量可以调节氮掺杂碳纳米球所述吸附的过渡金属含量，进而有效地提高电催化剂的催化活性。通过高温使模板剂分解，无需使用酸碱刻蚀去除模板，且制备出的电催化剂的比表面积大，有利于吸附和催化反应的进行，大大提高催化效率。

A transition metal / nitrogen doped porous carbon nanospheres electrocatalyst and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂及制备方法
本专利技术涉及化学能源材料
，具体涉及一种过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂及制备方法。
技术介绍
随着传统化石燃料的枯竭以及燃烧化石燃料和化工产业对环境的破坏，能源危机和环境污染已成为当今人类面临的最大的挑战，研究开发新型清洁能源及器件亟不可待。在众多新能源转换与存储设备中，燃料电池、金属-空气电池等以其转换效率高、低排放等优点被广泛研究。然而，阴极的氧还原反应由于动力学缓慢成为了限制电池功率的主要因素，通常需要在电催化剂的存在下才能提高反应效率，目前已商业化的氧还原电催化剂为Pt/C，但由于贵金属Pt资源稀缺、价格昂贵且Pt基电催化剂的稳定性差及甲醇耐受性差，阻碍了燃料电池和金属-空气电池的广泛应用。近年来，研究者研究设计了许多可替代Pt基电催化剂的非贵金属电催化剂，如过渡金属氧化物/氮化物/硫化物；非金属异质原子掺杂碳材料，如氮、磷、硫、硼等；过渡金属/非金属异质原子掺杂碳纳米材料，如铁/氮共掺杂碳纳米球、钴/氮共掺杂石墨烯、铁/氮、硫共掺杂碳纳米管等。其中，过渡金属/氮共掺杂可以改变碳纳米材料的电子结构并提供大量活性位点，有利于催化氧还原反应，且碳纳米材料结构稳定，有利于电催化剂的稳定性，因此优点成为了研究热点。为了进一步提高电催化剂催化效率，降低电催化剂成本，过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米材料应运而生，金属单原子化可以将金属利用率最大化，多孔碳纳米材料的大量缺陷位点有利用氮原子的掺杂，促进过渡金属-氮键的形成，进一步提高电催化剂的催化活性。但是现有的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米材料的制备方法需要酸碱刻蚀去除模板，掺氮过程复杂且含氮量不可调，制备工艺过程复杂，成本高，难以商业化推广。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，旨在解决现有制备方法需要酸碱刻蚀去除模板，掺氮过程复杂且含氮量不可调，制备工艺过程复杂，成本高，难以商业化推广的问题。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：一种过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，具体步骤如下：将模板剂、碳源和氮源依次加入去离子水中，得到前驱体溶液；将所述前驱体溶液置于反应釜中，加热条件下得到氮掺杂碳纳米球粉末；将所述氮掺杂碳纳米球粉末与过渡金属盐溶于去离子水中，超声后进行真空干燥，得到过渡金属/氮掺杂碳纳米球粉末；将所述过渡金属/氮掺杂碳纳米球粉末在惰性气体中进行碳化处理，得到过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂。所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其中，所述模板剂为三嵌段共聚物F127，所述碳源为γ-环糊精，所述氮源为对苯二胺。所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其中，所述碳源与所述模板剂的质量比为2:1～8:1。所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其中，所述碳源与所述氮源的摩尔比为1:1～4:1。所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其中，所述氮掺杂碳纳米球粉末与所述过渡金属盐的质量比为1:1～1:3。所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其中，所述过渡金属盐为CuCl2·H2O、FeCl3·6H2O和CoCl2·6H2O中的一种。所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其中，所述将所述前驱体溶液置于反应釜中，加热条件下得到氮掺杂碳纳米球粉末的步骤包括：将所述前驱体溶液置于反应釜中，将所述反应釜置于180～220℃的恒温烘箱中放置2～8h，然后用去离子水洗涤3～5次，50～80℃下干燥5～12h，得到氮掺杂碳纳米球粉末。所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其中，所述碳化温度为650～1000℃；所述碳化时的升温速率为2～8℃/min。一种过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂，其中，采用所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法制备而成。有益效果：本专利技术的制备方法通过调节氮源含量可以调控氮掺杂碳纳米球的产量、尺寸以及含氮量，以调节氮掺杂碳纳米球所述吸附的过渡金属含量，进而有效地提高电催化剂的催化活性。通过高温使模板剂分解，无需使用酸碱刻蚀去除模板，且制备出的电催化剂的比表面积大，有利于吸附和催化反应的进行，大大提高催化效率。附图说明图1是实施例2中制备的氮掺杂碳纳米球的扫描电镜图；图2是实施例3中制备的氮掺杂碳纳米球的扫描电镜图；图3是实施例5中制备的氮掺杂碳纳米球的扫描电镜图；图4是实施例4中制备的电催化剂的透射电镜图；图5是实施例4中制备的电催化剂的X射线吸收近边结构谱图；图6是实施例1、实施例3和实施例4中制备的电催化剂修饰电极的循环伏安曲线；图7是实施例1、实施例3和实施例4中制备的电催化剂修饰电极的线性扫描伏安曲线；图8实施例4中制备的电催化剂与商业Pt/C电催化剂修饰电极的循环伏安曲线；图9实施例4中制备的电催化剂与商业Pt/C电催化剂修饰电极的半波电位图。具体实施方式本专利技术提供一种过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂及制备方法，为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。具体地，本专利技术提供的一种过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，包括步骤：S1、将模板剂、碳源和氮源依次加入去离子水中，得到前驱体溶液。由于现有过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法中需要酸碱刻蚀去除模板，掺氮过程复杂且含氮量不可调，制备工艺过程复杂，成本高，难以商业化推广。为了解决上述问题，本实施例中首先将模板剂加入去离子水中，室温下磁力搅拌至模板剂完全溶解，再向上述溶液中加入碳源，继续在室温下磁力搅拌0.5～1h至碳源完全溶解后，再向溶液中加入氮源，继续在室温下磁力搅拌直至氮源完全溶解，从而得到包含模板剂、碳源、氮源的前驱体溶液以用于后续步骤中制备氮掺杂碳纳米球。在一具体实施例中，所述模板剂、碳源和氮源的搅拌速率为100～400rpm，搅拌时间为3～4h。S2、将所述前驱体溶液置于反应釜中，恒温水热后干燥，得到氮掺杂碳纳米球粉末。在一具体实施方式中，所述模板剂为三嵌段共聚物环氧乙烷-环氧丙烷-环氧乙烷(F127)，所述碳源为γ-环糊精，所述氮源为对苯二胺。由于主客体作用，三嵌段共聚物F127穿过γ-环糊精的内空腔形成包络合物，再通过氢键作用形成球形胶束。经过高温水热处理，γ-环糊精进一步在球形胶束表明聚合、碳化，得到氮掺杂碳球纳米球溶液。对所述氮掺杂碳纳米球溶液进行干燥，得到氮掺杂碳纳米球粉末。在一具体实施方式中，所述步骤S2具体包括：S21、将所述前驱体溶液置于反应釜中，将所述反应釜置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤：/n将模板剂、碳源和氮源依次加入去离子水中，得到前驱体溶液；/n将所述前驱体溶液置于反应釜中，加热条件下得到氮掺杂碳纳米球粉末；/n将所述氮掺杂碳纳米球粉末与过渡金属盐溶于去离子水中，超声后进行真空干燥，得到过渡金属/氮掺杂碳纳米球粉末；/n将所述过渡金属/氮掺杂碳纳米球粉末在惰性气体中进行碳化处理，得到过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将模板剂、碳源和氮源依次加入去离子水中，得到前驱体溶液；
将所述前驱体溶液置于反应釜中，加热条件下得到氮掺杂碳纳米球粉末；
将所述氮掺杂碳纳米球粉末与过渡金属盐溶于去离子水中，超声后进行真空干燥，得到过渡金属/氮掺杂碳纳米球粉末；
将所述过渡金属/氮掺杂碳纳米球粉末在惰性气体中进行碳化处理，得到过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂。


2.根据权利要求1所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其特征在于，所述模板剂为三嵌段共聚物F127，所述碳源为γ-环糊精，所述氮源为对苯二胺。


3.根据权利要求2所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳源与所述模板剂的质量比为2:1～8:1。


4.根据权利要求2所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳源与所述氮源的摩尔比为1:1～4:1。


5.根据权利要求1所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂碳纳米球粉末与所述过渡金属盐的质量比为1:1～1:3。


6.根据权利要求5所述的过渡金属/氮掺杂多孔碳纳米球电催化剂的制备方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚蕾，陈媛媛，杨海涛，李秀娟，陈鸿江，黎芷彤，韦可研，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44