单原子金属-氮-碳气凝胶氧还原电催化剂的制备方法技术

一种单原子金属

【技术实现步骤摘要】
单原子金属
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氮
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碳气凝胶氧还原电催化剂的制备方法


[0001]本专利技术涉及炭材料和电化学
，具体涉及一种单原子金属
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氮
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碳气凝胶氧还原电催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]氧还原反应发生在氢气燃料电池、甲醇燃料电池、金属
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空气电池等能源储存或转化装置的阴极，过程通常为氧气分子得到电子，与质子或者氢氧根结合，被还原成水，在动力学上非常缓慢，需要电催化剂来加快反应进行。
[0003]目前氧气还原电催化剂主要种类有，贵金属及合金、金属
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氮
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碳材料和异质元素掺杂炭材料。贵金属及其合金材料活性高、稳定性好，是目前广泛使用的商业电催化剂。然而，贵金属在地壳中含量较低、价格昂贵，不可持续使用，阻碍了各类电化学器件的大规模应用。因此，迫切需要开发无需贵金属，或者仅使用极少量贵金属的电催化剂。非金属异质元素掺杂的炭材料也具有一定的电催化活性，其中氮掺杂炭材料、氮
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硫共掺杂炭材料具有氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子金属
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氮
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碳气凝胶氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，制备有机溶胶A，选取两种按一定比例的能发生缩聚反应生成大分子网络结构的有机物即有机物1和有机物2，溶于适当比例的水中，搅拌至完全溶解，形成均匀的有机溶胶A；有机物1指含有醛基的醛类有机物；有机物2是指能与甲醛或糠醛等醛类有机物以适当比例反应的多羟基苯化合物或多胺基苯化合物中的一种；所述的有机物1、有机物2的一定比例，以醛类有机物与多羟基苯化合物，或醛类有机物与多胺基苯化合物摩尔比来计量，在1～10之间；所述的适当比例的水，以水和多羟基苯化合物摩尔比，或者水与多胺基苯化合物摩尔比来计，在60～300之间；第二步，制备金属溶胶B，方法是：将适当比例的无机金属盐，溶于摩尔质量为无机金属盐10～100倍的乙醇中，搅拌至完全溶解，形成无机盐溶液；选取摩尔质量为无机金属盐摩尔质量6～60倍的有机物3加入到无机盐溶液中，继续搅拌至溶液澄清，制备得到金属络合物溶胶B；所述的无机金属盐是指：Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Pt、Cr、Zn、Ti、Zr、V、Mo、Ag、Au、Pt、Pd、Ru、Y、W元素对应的氯化物、硝酸根化合物、醋酸根化合物、硫酸根化合物、羰基化合物中的一种或几种的混合物；所述适当比例的无机金属盐，以无机金属盐与A中有机物2摩尔比计量，即与多羟基苯化合物或多胺基苯化合物摩尔比计量，在0.02～10之间；所述的加到无机金属盐中的有机物3，指能与无机金属盐生成络合物、或者能催化金属盐离子形成金属阳离子溶胶的有机物；包括：环氧丙烷即C3H6O、环氧氯丙烷即C3H6OCl及其衍生的具有环氧结构的化合物中的任意一种，或含有氨基、羧酸基或膦酸基等配位基团的小分子有机酸；第三步，制备金属掺杂有机物凝胶C，方法是：将第一步制备的A和第二步制备的B全部混合，搅拌均匀，得到金属
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有机物混合物；将金属
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有机物混合物放置在40～90℃的加热设备中静置，直至金属
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有机物混合物形成均匀的金属掺杂有机物凝胶C；第四步，制备金属掺杂有机物气凝胶，采用超临界干燥、冷冻干燥和常压干燥之中的任意一种干燥方法，去除金属掺杂有机物凝胶C中的液体，得到金属掺杂有机物气凝胶；第五步，将第四步制备的金属掺杂有机物气凝胶放置在裂解炉中，在真空气氛，或氩气气氛、氮气气氛、氦气气氛、氢气气氛或氨气气氛之中的任意一种保护气氛下，升温至600～1200℃，保温1～10h，随炉冷却得到单原子金属
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氮掺杂炭气凝胶；第六步，将第五步得到的单原子金属
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氮掺杂炭气凝胶与包含金属离子的化合物和有机物4按一定比例混合，得到混合物；所述的包含金属离子的化合物为Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Pt、Cr、Zn、Ti、Zr、V、Mo、Ag、Au、Pt、Pd、Ru、Y、W元素对应的氯化物、硝酸根化合物、醋酸根化合物、硫酸根化合物、乙酰丙酮化合物中的一种或几种的混合物；所述的有机物4，分子中至少含有C、N、S、O或P元素中的一种，具有四元环、五元环或六
元环的结构，热解后形成薄层石墨炭；所述的有机物4，优选邻苯二氮菲、聚乙烯吡咯烷酮、苯乙腈、多巴胺、硫脲、苯胺、聚苯胺、三聚氰胺、噻吩、吡咯、植酸、聚吡咯中的一种或几种的组合；所述的一定比例指，包含金属离子的化合物与金属
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氮共掺杂炭气凝胶的质量比在(1～30)：1之间，有机物4与金属
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氮共掺杂炭气凝胶的质量比在(0.01～20)：1之间；第七步，在保护气氛下，对第六步得到的混合物进行加热，冷却后洗涤、干燥，得到单原子金属
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氮
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碳气凝胶氧还原电催化剂；所述的加热，其过程中金属离子化合物熔化为熔盐，催化单原子金属
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氮掺杂炭气凝胶石墨化，提高其石墨化程度；熔盐在炭材料表面刻蚀出更多的开放孔结构；有机物4裂解为薄层石墨炭包覆在单原子金属
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氮掺杂炭气凝胶的表面；所述的混合物进行加热随炉冷却后得到石墨炭包覆炭气凝胶负载单原子和氧化物颗粒等的混合物，酸洗去除氧化物颗粒和未反应完的包含金属离子的化合物，去除酸洗的溶剂后在20～200℃下干燥，得到单原子金属
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氮
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碳气凝胶氧还原电催化剂。2.如权利要求1所述的单原子金属
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氮
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碳气凝胶氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于第一步所述有机物1指甲醛或糠醛；所述有机物2为多羟基苯化合物时，包括间苯二酚、苯酚、简苯三酚、儿茶酚中的任意一种；所述有机物2为多胺基苯化...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗燚，冯军宗，冯坚，姜勇刚，李良军，王鲁凯，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：