一种多孔石墨烯材料制造技术

本发明专利技术提供了一种多孔石墨烯碳材料，属于石墨烯领域。本发明专利技术提供的多孔石墨烯材料，其孔径大于2nm，制备方法包括如下两种步骤中任意一种：将碳材料在惰性环境下焙烧；或将碳材料与杂原子掺杂剂混合后在惰性环境下焙烧，其中，所述碳材料具有多级孔以及石墨化骨架。本发明专利技术提供的多孔石墨烯碳材料具有超高的比表面积(＞1000m

【技术实现步骤摘要】
一种多孔石墨烯材料
本专利技术属于石墨烯领域，尤其涉及一种多孔石墨烯材料。
技术介绍
传统化石能源的过度消耗带来了严重的环境问题，发展与清洁能源相关的技术和装置势在必行。自1993年Ballard公司向世界展示了第一辆无污染的质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcells，PEMFCs)驱动的公交车后，引起全球研发PEMFCs的热潮。PEMFCs使用氢气和氧气作为燃料，具有零碳排放和能量密度高的特点，是理想的能量存储和转化器件。但由于阴极处缓慢的氧还原反应动力学，PEMFCs输出能量通常需要较高的过电势(大于400mV)，导致其实际的开路电压远小于理论值(1.23V)。研发高活性的氧还原催化剂是解决上述问题的关键。目前主流的氧还原催化剂主要是由贵金属铂构成的，但是铂储量低、成本高不适合大规模的生产和使用，根据美国能源部的研究，目前质子交换膜燃料电池成本约为40美元每千瓦，其中铂催化剂所占的成本比例高达40％。另一方面，铂在氧还原过程中易流失和中毒，催化稳定性差。因此，开发低成本和高稳定性的氧还原催化剂是推动质子交换膜燃料电池商业化的关键。目前低成本、高活性的ORR催化剂的开发的一种主流思路是发展具有类铂活性的非贵金属催化剂替代铂。多孔碳基催化剂在氧还原反应中表现出高活性和高稳定性，是替代铂基催化剂的理想材料，引起了人们极大的关注。但是，目前合成多孔碳基催化剂材料孔道尺寸较小，一般＜2nm，不利于氧还原过程中物质和电子的传输。更重要的是，大部分多孔碳催化剂的骨架是无定形的，在质子交换膜燃料电池严苛的工作环境下无定形碳会被刻蚀，多孔结构退化，导致性能衰减。虽然已经有人尝试在高温下(＞2000℃)将无定形碳转化为石墨化碳，但石墨化过程产生的应力通常会造成多孔结构的破坏。
技术实现思路
由于现有技术存在上述不足，本专利技术提供一种大孔径、大孔容和超高比表面积的多孔石墨烯材料。具体的，本专利技术的技术方案如下：一种多孔石墨烯材料，其孔径大于2nm，制备方法包括如下两种步骤中任意一种：将碳材料在惰性环境下焙烧；或将碳材料与杂原子掺杂剂混合后在惰性环境下焙烧，其中，所述碳材料具有多级孔以及石墨化骨架。优选地，所述碳材料的制备方法包括如下步骤：S1，将金属氧化物颗粒、结构导向剂以及碳源溶于有机溶剂中，得混合溶液；S2，在第一预定温度下将所述混合溶液的溶剂挥发，得混合样品，优选地，所述第一预定温度为40-60℃，挥发的时间为5-8h；S3，将所述混合样品在第二预定温度下固化，得固化样品；所述第二预定温度高于所述第一预定温度，优选地，所述第二预定温度为80-150℃，固化时间为12-48h；S4，将所述固化样品在惰性条件下焙烧，得介孔碳/金属氧化物复合材料，优选地，焙烧温度为350-550℃，焙烧时间为1-6h；S5，将介孔碳/金属氧化物复合材料放置在酸性溶液中刻蚀，优选地，刻蚀时间为24-48h，即得。优选地，所述金属氧化物为氧化铁、氧化钴或氧化镍中的任意一种。优选地，所述结构导向剂为F127(EO106-PO7o-EO106，Mw＝12600)、P65(EO20-PO30-EO20，Mw＝3500)、P123(EO20-PO70-EO20，Mw＝5800)、F108(EO132-PO50-EO132，Mw＝14600)或F68(EO132-PO30-EO132，Mw＝13400)中的任意一种。优选地，所述碳源为酚醛树脂或多巴胺中的任意一种。优选地，上述有机溶剂为乙醇、四氢呋喃或丙酮中的任意一种。优选地，所述金属氧化物的粒径为2nm-20nm。优选地，所述金属氧化物、所述结构导向剂与所述碳源的摩尔比为(0.01-0.05)∶1∶(0.5-3.5)。优选地，所述酸性溶液为2M-6M的盐酸。优选地，上述碳材料焙烧的温度为900℃-1500℃。优选地，所述杂原子掺杂剂为尿素、硫脲或双氰胺中的任意一种。本专利技术还提供了一种燃料电池，其阴极含有上述任意一种多孔石墨烯碳材料。本专利技术的有益之处在于：1)因为本专利技术提供的多孔石墨烯碳材料具有超高的比表面积(＞1000m2/g)和丰富的孔道结构有利于催化位点的完全暴露，充分发挥活性；2)因为本专利技术提供的多孔石墨烯碳材料具有大孔径(＞2nm)和孔容(＞0.5cm3/g)确保反应过程中物质和电荷的快速传输；3)因为本专利技术提供的多孔石墨烯碳材料具有高石墨化程度，可以抵抗严苛工作环境造成的侵蚀，避免结构破坏引起的性能衰减，确保催化剂的稳定性；4)因为本专利技术提供的多孔石墨烯碳材料具有均匀的杂原子掺杂，可以提供丰富的活性位点。附图说明图1为本专利技术的实施例多孔石墨烯碳材料的制备流程图；图2为本专利技术实施例3提供的多孔石墨烯碳材料的透射电镜图；图3为本专利技术实施例3提供的多孔石墨烯碳材料的元素分布图；图4为本专利技术实施例3提供的多孔石墨烯碳材料的拉曼谱图；图5为本专利技术实施例3提供的多孔石墨烯碳材料的氮吸附谱图；图6为本专利技术实施例3提供的多孔石墨烯碳材料的相应的孔径分布图；图7为本专利技术实施例3提供的多孔石墨烯碳材料与其他材料的线性扫描循环伏安曲线对比图；图8为本专利技术实施例3提供的多孔石墨烯碳材料的稳定性测试图。具体实施方式下面结合具体实施方式和附图，来对本专利技术进行进一步详细阐述。下述实施例仅作为对本专利技术的进一步解释，并不用来限定本专利技术。实施例1一种多孔石墨烯碳材料的制备方法，包括如下步骤：将20mg粒径为3nm氧化铁纳米颗粒，1g的F127和5g酚醛树脂分散在20ml无水乙醇中，得到澄清透明的溶液。将溶液转移到蒸发皿中，在40℃烘箱中加热5h，100℃烘箱中加热24h。将所得样品从蒸发皿中刮下来后放在氮气气氛的管式炉内400℃焙烧3h除去结构导向剂。然后将焙烧的样品放在4M的HCl中刻蚀48h除去氧化铁纳米颗粒。最后将样品在在氮气气氛中1000℃焙烧2h，得到所述多级孔石墨化碳材料。其比表面积为1100m2/g，孔容为0.56cm3/g。实施例2一种多孔石墨烯碳材料的制备方法，包括如下步骤：将20mg粒径为3nm氧化铁纳米颗粒，1g的F127和5g酚醛树脂分散在20ml无水乙醇中，得到澄清透明的溶液。将溶液转移到蒸发皿中，在40℃烘箱中加热5h，100℃烘箱中加热24h。将所得样品从蒸发皿中刮下来后放在氮气气氛的管式炉内400℃焙烧3h除去结构导向剂。然后将焙烧的样品放在4M的HCl中刻蚀48h除去氧化铁纳米颗粒。最后将样品与尿素混匀后放置在氮气气氛中1000℃焙烧2h，得到所述氮掺杂多级孔石墨化碳材料。其比表面积为1056m2/g，孔容为0.54cm3/g。实施例3一种多孔石墨烯碳材料的制备方法，包括如下步骤：将2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔石墨烯材料，其孔径大于2nm，其特征在于，制备方法包括如下两种步骤中任意一种：/n将碳材料在惰性环境下焙烧；或/n将碳材料与杂原子掺杂剂混合后在惰性环境下焙烧，/n其中，所述碳材料具有多级孔以及石墨化骨架。/n

【技术特征摘要】
1.一种多孔石墨烯材料，其孔径大于2nm，其特征在于，制备方法包括如下两种步骤中任意一种：
将碳材料在惰性环境下焙烧；或
将碳材料与杂原子掺杂剂混合后在惰性环境下焙烧，
其中，所述碳材料具有多级孔以及石墨化骨架。


2.根据权利要求1所述的多孔石墨烯材料，其特征在于，所述碳材料的制备方法包括如下步骤：
S1，将金属氧化物颗粒、结构导向剂以及碳源溶于有机溶剂中，得混合溶液；
S2，在第一预定温度下将所述混合溶液的溶剂挥发，得混合样品；
S3，将所述混合样品在第二预定温度下固化，得固化样品；所述第二预定温度高于所述第一预定温度；
S4，将所述固化样品在惰性条件下焙烧，得介孔碳/金属氧化物复合材料；
S5，将介孔碳/金属氧化物复合材料放置在酸性溶液中刻蚀，即得。


3.根据权利要求2所述的多孔石墨烯材料，其特征在于，所述金属氧化物为氧化铁、氧化钴或氧化镍中的任意一种。
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【专利技术属性】
技术研发人员：张威，贺海丽，李伟，赵东元，
申请(专利权)人：珠海复旦创新研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44