一种原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球及其应用，属于多孔碳材料制备技术领域。将两种分子量不同的聚环氧乙烷

【技术实现步骤摘要】
一种原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球及其应用


[0001]本专利技术涉及一种原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球及其应用，属于多孔碳材料制备


技术介绍

[0002]随着世界范围内化石燃料消费量的不断增长，CO2的排放正成为环境的严重威胁。为了满足稀缺燃料和化学品的可持续利用需求，将过量的CO2转化为有价值的化学品或储能装置已经引起了广泛的研究。电化学CO2还原反应(CO2RR)可在室温条件下利用可再生电源转化为碳基原料和燃料，可以在产生有价值的燃料和化学品的同时抑制CO2排放。在电还原产品中，CO是一种应用广泛的产品，作为合成气的关键成分，可用于通过使用费托化学制备大量基础化学产品和中间体。但传统的CO2加H生产CO是一种平衡受限的吸热反应，需要400℃以上的高温。相比之下，CO2选择性电化学还原可在室温条件下进行，并获得高的CO生产活性和选择性。不同于上述CO2气体电解制备化学产品CO的手段，金属
‑
二氧化碳(Me
‑
CO2)电池尤其是Li
‑
CO2电池结合了先进储能和有效固定CO2的双重特性，在下一代能源转换和储存以及CO2捕获和器件利用方面具有巨大潜能。然而，目前Me
‑
CO2电池面临如CO2电化学反应动力学缓慢、倍率性能差、极化率高、CO2转换效率低、循环寿命短等一系列挑战，该系统仍处于早期开发阶段。而且这种电化学装置的核心在于正极催化剂，如果设计不当，将导致电池性能不佳。近年来，贵金属(如Ir、Ru)和过渡金属氧化物/氮化物/碳化物、金属有机骨架(MOF)、Ni基和Mo基催化正极作为双功能催化剂应用于Li
‑
CO2电池，显示出良好的效率和稳定性，具有强CO2RR催化性能的优异正极催化剂材料目前受到了广泛的研究和关注。
[0003]在CO2电解制备CO的CO2RR过程和用于Li
‑
CO2电池的电极电化学过程催化剂选择中，尽管贵金属(例如，金、银、钯)已被开发用于CO2RR和Li
‑
CO2电池中，但贵金属基电催化剂的稀有性和高成本限制了它们的大规模应用，因此迫切需要开发高性价比的电催化剂。过渡金属锰(Mn)的自然丰度在过渡元素中仅次于铁和钛，居第三位。然而，锰基CO2RR电催化剂的研究报道甚少。Strasser和同事(Angewandte Chemie,2015,127(37):10908
‑
10912.)合成了一系列金属氮掺杂碳(M
‑
N
‑
C)电催化剂，包括多种过渡金属，如Mn,Fe,Co,Ni和Cu，用于CO2还原。但Mn
‑
N
‑
C的电催化性能仍然很有限，特别是与Fe
‑
N
‑
C和Ni
‑
N
‑
C催化剂相比，开发具有高CO2RR活性和选择性的Mn基电催化剂是需要迫切解决的问题。而且目前为止，还没有金属锰作为Li
‑
CO2电池中的单原子催化剂(SACs)的报道。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球及其应用，在氮掺杂的介孔纳米碳微球上负载单原子锰，使该材料既可用作CO2还原制备CO的高效催化剂，也可用作Li
‑
CO2电池的高效正极催化剂，能够同时兼容两种电化学系统，具有广泛的应用前景。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。
[0006]一种原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球，所述介孔碳纳米微球是采用如下方法制备得到的：
[0007](1)选用两种分子量不同的聚环氧乙烷
‑
聚环氧丙烷
‑
聚环氧乙烷作为表面活性剂，并与盐酸多巴胺以及水和乙醇的混合溶剂混合均匀，配制成完全透明的单体溶液；
[0008]表面活性剂与盐酸多巴胺的质量比为(0.2～1):1；表面活性剂的分子量在5500～13000范围内，优选选用Pluronic F127(EO
106
PO
70
EO
106
分子量12600)和Pluronic P123(EO
20
PO
70
EO
20
分子量5800)作为表面活性剂，更优选P123与F127的质量比为(0.2～0.5):1；
[0009]优选地，水和乙醇的体积比为(1～1.5):1；
[0010]优选地，盐酸多巴胺在单体溶液中的浓度为10g/L～20g/L；
[0011](2)先将孔膨胀剂1,3,5
‑
三甲苯(TMB)和单体溶液按照(0.25～5):100的体积比混合形成乳白色的纳米微乳液体系，然后按照氨水与单体溶液1：(20～30)的体积比加入质量分数为25％～28％的氨水，随后在不高于60℃下搅拌反应4h～6h，最后收集固体产物并进行洗涤、干燥，得到多巴胺聚合物；
[0012]通过调控TMB和单体溶液的体积比可以获得伞状、球状以及高尔夫球状等不同形状的纳米颗粒；优选地，当表面活性剂与盐酸多巴胺的质量比为(0.4～0.8):1，以及P123与F127的质量比为(0.3～0.35):1时：1,3,5
‑
三甲苯和单体溶液的体积比为(3～5):100时获得伞形介孔碳纳米微球，体积比为(1.5～2.5):100时获得高尔夫球形介孔碳纳米微球，体积比为(0.3～0.7)：100时获得圆球形介孔碳纳米微球。
[0013]优选地，单体溶液中加入1,3,5
‑
三甲苯后，先在500r/min～1000r/min下搅拌30min～2h，再在200W的超声功率下超声10min～30min，形成乳白色的纳米微乳液体系；
[0014]优选地，加入氨水后，在500r/min～1000r/min的搅拌速率下搅拌反应；
[0015](3)将含锰元素的水溶性无机盐溶解于水中，配制成锰盐水溶液；将多巴胺聚合物加入锰盐水溶液中，在不高于60℃下搅拌反应9h～11h，之后通过冷冻干燥收集负载金属前驱体的聚合物；
[0016]多巴胺聚合物和锰盐水溶液中锰元素的质量比为(8～12)：1，含锰元素的水溶性无机盐优选为乙酸锰，锰元素在锰盐水溶液中的浓度优选为40mg/L～60mg/L；
[0017](4)在氮气或惰性气体保护气氛下，负载金属前驱体的聚合物先在250℃～350℃下预煅烧2.5h～3.5h，再在700℃～900℃下煅烧2h～3h，最后进行洗涤、干燥，得到原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球。
[0018]一种本专利技术所述原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球，所述介孔碳纳米微球应用于CO2还原制备CO的电解池的工作电极，或者应用于Li
‑
CO2电池的正极。
[0019]有益效果：
[0020]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球，其特征在于：所述介孔碳纳米微球是采用如下方法制备得到的：(1)选用两种分子量不同的聚环氧乙烷
‑
聚环氧丙烷
‑
聚环氧乙烷作为表面活性剂，并与盐酸多巴胺以及水和乙醇的混合溶剂混合均匀，配制成完全透明的单体溶液；(2)先将1,3,5
‑
三甲苯和单体溶液按照(0.25～5):100的体积比混合形成乳白色的纳米微乳液体系，然后按照氨水与单体溶液1：(20～30)的体积比加入质量分数为25％～28％的氨水，随后在不高于60℃下搅拌反应4h～6h，最后收集固体产物并进行洗涤、干燥，得到多巴胺聚合物；(3)将含锰元素的水溶性无机盐溶解于水中，配制成锰盐水溶液；将多巴胺聚合物加入锰盐水溶液中，在不高于60℃下搅拌反应9h～11h，之后通过冷冻干燥收集负载金属前驱体的聚合物；(4)在氮气或惰性气体保护气氛下，负载金属前驱体的聚合物先在250℃～350℃下预煅烧2.5h～3.5h，再在700℃～900℃下煅烧2h～3h，最后进行洗涤、干燥，得到原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球；步骤(1)中，表面活性剂与盐酸多巴胺的质量比为(0.2～1):1，表面活性剂的分子量在5500～13000范围内；步骤(3)中，多巴胺聚合物和锰盐水溶液中锰元素的质量比为(8～12)：1。2.根据权利要求1所述的一种原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球，其特征在于：表面活性剂选用F127和P123。3.根据权利要求2所述的一种原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球，其特征在于：P123与F127的质量比为(0.2～0.5):1。4.根据权利要求2所述的一种原子级金属锰负载的氮掺杂介孔碳纳米微球，其特征在于：表面活性剂与盐酸多巴胺的质量比为(0.4～0...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚莹，吴锋，王美玲，杨飞洋，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：