一种中空多孔碳材料及其制备方法和电池技术

本发明专利技术公开了一种中空多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：将二甲基咪唑溶解于水中，形成溶液A；将硝酸锌和盐酸多巴胺溶解在水中，搅拌均匀后形成溶液B，然后加入到A溶液中，形成溶液C；溶液C搅拌反应后，离心分离得到催化剂前驱体；催化剂前驱体干燥后进行高温煅烧。本发明专利技术还公开了上述制备方法制备得到的中空多孔碳材料及采用上述中空多孔碳材料作为阴极的电池。本发明专利技术的中空多孔碳材料在水相中合成，生产工艺相对简单、污染小、易于实现量产，制备得到的中空多孔碳材料作为氧还原电催化剂具有良好的电化学性能，采用其作为阴极的锌空电池或微生物燃料电池，具有高功率密度和优异的稳定性能。异的稳定性能。异的稳定性能。

【技术实现步骤摘要】
一种中空多孔碳材料及其制备方法和电池


[0001]本专利技术涉及电池材料领域，特别涉及一种中空多孔碳材料及其制备方法和电池。

技术介绍

[0002]锌空气(锌空)电池因其具有较高的能量密度、制造工艺简单、成本低廉、安全可靠、环保及可再生利用等优点受到广泛关注。锌空电池以空气中的氧气为正极活性物质，金属锌为负极活性物质的一种新型化学电源。微生物燃料电池是一种以产电微生物为阳极催化剂将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。微生物燃料电池是利用微生物的代谢将有机废物氧化分解同时产生电能，有机物在阳极被氧化产生电子和CO2,电子通过外电路传递到阴极，最后O2为最终的电子受体，与阳极扩散过来的质子结合反应生成水，从而产生电能。阴极的氧还原反应(ORR)动力学反应速率缓慢是阻碍锌空电池微生物燃料电池性能的主要因素。因此，研发优异ORR活性的阴极催化剂对锌空电池和微生物燃料电池的发展具有重要的意义。目前最优的ORR催化剂仍是铂基催化剂，但其具有稀缺性、价格昂贵、易中毒、甲醇耐受性差等缺点。因此设计开发绿色、低廉、活性高，选择性好，稳定性高的催化剂是解决这一问题的关键。金属掺杂的中空碳材料具有优异的催化活性，良好的选择性以及高的稳定性受到广泛的关注。中空碳框架结构可以产生更多的活性位点，增加传质能力，从而加强ORR催化活性。金属有机框架ZIF
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8作为一种典型的多孔碳材料的前驱体具有良好的化学稳定性、超高的比表面积和超大的孔体积等特点。但是如何简单地制备出性能优异的中空多孔碳材料，使其更好地作为ORR催化剂应用在锌空电池和微生物燃料中仍是目前研究的难点。

技术实现思路

[0003]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种中空多孔碳材料的制备方法，在水相中合成，生产工艺相对简单、污染小、易于实现量产，制备得到的中空多孔碳材料作为氧还原电催化剂具有良好的电化学性能。
[0004]本专利技术的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的中空多孔碳材料。
[0005]本专利技术的再一目的在于提供一种电池，具有高功率密度和优异的稳定性能。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种中空多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将二甲基咪唑溶解于水中，形成溶液A；
[0009]将硝酸锌和盐酸多巴胺溶解在水中，搅拌均匀后形成溶液B，然后加入到A溶液中，形成溶液C；
[0010]溶液C搅拌反应后，离心分离得到催化剂前驱体；
[0011]催化剂前驱体干燥后进行高温煅烧。
[0012]优选的，所述二甲基咪唑、硝酸锌、盐酸多巴胺的质量比为：(3～13)：(0.3～1.5)：(0.1～0.3)。
[0013]优选的，所述溶液C搅拌反应，具体为：溶液C搅拌反应后加入金属盐继续搅拌反应。
[0014]优选的，所述金属盐与盐酸多巴胺的用量比为(1～8mmol):1g。
[0015]优选的，所述金属盐为无机铁盐、无机钴盐、无机镍盐中的一种或两种。
[0016]更优选的，所述金属盐为无水三氯化铁、六水合硝酸镍或四水合硝酸钴。
[0017]优选的，所述溶液A中二甲基咪唑的浓度为(8～32)g/100mL；所述溶液B中硝酸锌的浓度为(6～30)g/100mL。
[0018]优选的，所述硝酸锌为六水合硝酸锌。
[0019]优选的，溶液C的反应时间为0.5～2h。
[0020]优选的，加入FeCl3后反应时间为12～36h。
[0021]优选的，所述干燥，具体为：在80～100℃干燥，干燥时间为12～24h。
[0022]优选的，所述高温煅烧，具体为：在800～1000℃煅烧，煅烧时间为2～4h。
[0023]一种中空多孔碳材料，由所述的中空多孔碳材料的制备方法制备得到，具有中空内凹十二面体结构。
[0024]一种电池，包括阴极，所述阴极由所述的中空多孔碳材料制备而成；所述电池为锌空电池或微生物燃料电池。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0026](1)本专利技术的中空多孔碳材料的制备方法，主要采用二甲基咪唑，硝酸锌，盐酸多巴胺作为原料，其中，二甲基咪唑和硝酸锌形成的ZIF
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8框架结构在热解过程中不会坍塌，仍保持良好的框架结构可以产生更多的活性位点，增加传质能力，其中催化剂前驱体中的Zn在热解过程中气化产生大量的微孔，从而达到了不使用模板剂而造孔的目的，简化了实验操作步骤，加快了催化剂的合成速度。盐酸多巴胺在碱性条件下可以发生聚合，有利于延缓ZIF
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8的形成，并且多巴胺在其表面形成一层碳膜，表面的氨基为金属源的锚定提供了活性位点，且能很好的抑制金属铁的聚集。
[0027](2)本专利技术的中空多孔碳材料的制备方法，通过掺杂金属得到的金属掺杂中空内凹十二面体碳材料，具有高度分散的金属原子，以单原子的形式掺杂于碳骨架中，使材料的活性位点充分暴露，并且该结构具有较高的比表面积，其丰富的多级孔结构可以有效促进固液相界面中的物质交换效率，大幅提高氧还原反应活性。
[0028](3)本专利技术的中空多孔碳材料的制备方法，使用的溶剂为水，价格低廉，方便易得，对环境友好，并且不会对人体健康产生危害实现了绿色环保的合成理念，合成过程简便，操作容易，具有通用性，并且可在一定程度上等比例放大实验规模，从而能够在保持材料各方面的性质的情况下增大产量，实现产业化生产。
[0029](4)本专利技术制备的中空多孔碳材料，作为氧还原反应电催化剂，特别是作为锌空电池和微生物燃料电池阴极材料具有明显的催化优势，作为锌空电池和微生物燃料电池中高性能阴极催化剂来替代贵金属催化剂。
附图说明
[0030]图1是本专利技术实施例1制备得到的铁氮共掺杂中空内凹十二面体碳材料的扫描电镜图像。
[0031]图2是本专利技术实施例1制备得到的铁氮共掺杂中空内凹十二面体碳材料的透射电镜图像及铁元素分布图。
[0032]图3是本专利技术实施例1中铁氮共掺杂中空内凹十二面体碳材料的氮气吸脱脱附等温线图。
[0033]图4是本专利技术实施例1中铁氮共掺杂中空内凹十二面体碳材料的孔径分布图。
[0034]图5是本专利技术实施例1中铁氮共掺杂中空内凹十二面体碳材料与20％Pt/C对比的ORR性能测试结果图。
[0035]图6是本专利技术实施例1中铁氮共掺杂中空内凹十二面体碳材料与20％Pt/C对比的锌空电池性能测试结果图。
[0036]图7是本专利技术实施例1中铁氮共掺杂中空内凹十二面体碳材料与20％Pt/C对比的微生物燃料电池性能测试结果图。
[0037]图8为本专利技术的实施例5中制备的氮杂掺不规则多面体碳材料的SEM图。
[0038]图9为本专利技术的实施例6中制备的氮掺杂自衍生碳纳米管多孔材料的SEM图。
[0039]图10为本专利技术的实施例7本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中空多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二甲基咪唑溶解于水中，形成溶液A；将硝酸锌和盐酸多巴胺溶解在水中，搅拌均匀后形成溶液B，然后加入到A溶液中，形成溶液C；溶液C搅拌反应后，离心分离得到催化剂前驱体；催化剂前驱体干燥后进行高温煅烧。2.根据权利要求1所述的中空多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述二甲基咪唑、硝酸锌、盐酸多巴胺的质量比为：(3～13)：(0.3～1.5)：(0.1～0.3)。3.根据权利要求1所述的中空多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述溶液C搅拌反应，具体为：溶液C搅拌反应后加入金属盐继续搅拌反应。4.根据权利要求3所述的中空多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述金属盐与盐酸多巴胺的用量比为(1～8mmol):1g。5.根据权利要求3所述的中空多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述金...

【专利技术属性】
技术研发人员：李白滔，王英华，王秀军，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：