【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及催化剂材料，特别是涉及一种氮掺杂碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、日益严峻的环保压力正使传统化石能源行业的加速转型，开发可持续的新型替代能源储存与转换设备迫在眉睫，以质子交换膜燃料电池(pemfc)为代表的能源转换装置具有转换效率高、清洁无污染等优点，有望在一定程度上替代传统能源系统，是氢能产业链中的关键。在燃料电池系统装置中的关键核心材料之一是催化剂，其催化性能和耐久性直接影响装置化学能量的转换效率和寿命。
2、铂(pt)基催化剂是目前最有效的催化剂，工业生产也多以铂为基础展开。商业化的铂基催化剂主要是铂碳(pt/c)催化剂，其结构主要是活性pt颗粒分布负载在碳载体表面，碳载体的表面的电荷分布对铂颗粒的稳定性和分散性至关重要。但传统的碳载体导电率、电化学稳定性和耐久性较差，且制备方法需要多步还原、或者特定设备或者能耗高等缺陷，亟需改进。
技术实现思路
1、基于此，本专利技术提供了一种工艺简单适合批量生产的方法，能够合成出导电率高、高效稳定的氮掺杂碳材料，其能够作为铂碳催化剂的载体使用，保证铂负载量高的同时还能显著铂在碳载体上的均匀性和稳定性，可进一步应用于催化电化学反应。
2、技术方案如下：
3、一种氮掺杂碳材料的制备方法，包括以下步骤：
4、将含氮单体、引发剂和ph调节剂于第一溶剂中混合，通过第一聚合反应制备氮源前驱体混合液；
5、将碳材料于第二溶剂中分散，制备碳液；
6、将所述氮源前
7、对所述中间体进行碳化处理。
8、在其中一个实施例中，含氮单体和所述引发剂的摩尔比为1:(0.01～1)。
9、在其中一个实施例中，所述含氮单体选自吡咯、多巴胺和苯胺中的至少一种。
10、在其中一个实施例中，所述引发剂选自过硫酸铵和氨水中的至少一种。
11、在其中一个实施例中，所述ph调节剂为氨水。
12、在其中一个实施例中，所述第一溶剂为水和醇的混合溶剂。
13、在其中一个实施例中，所述第一溶剂为水和醇按照体积比(1～3):(1～3)组成的混合溶剂。
14、在其中一个实施例中，第一聚合反应的体系的ph值为8～13。
15、在其中一个实施例中，第一聚合反应的温度为60℃～100℃。
16、在其中一个实施例中，第一聚合反应的时间为1h～4h。
17、在其中一个实施例中，第一聚合反应在搅拌状态下进行，搅拌速率为300rpm～800rpm。
18、在其中一个实施例中，所述碳材料和所述含氮单体的质量比为(1.5～3):1。
19、在其中一个实施例中，所述碳材料为炭黑。
20、在其中一个实施例中，所述第二溶剂为水和醇的混合溶剂。
21、在其中一个实施例中，所述第二溶剂为水和醇按照体积比(1～3):(1～3)组成的混合溶剂。
22、在其中一个实施例中，所述将所述氮源前驱体混合液和所述碳液混合的方式为超声，超声时间为10min～30min。
23、在其中一个实施例中，第二聚合反应在搅拌状态下进行，搅拌速率为300rpm～800rpm。
24、在其中一个实施例中，第二聚合反应的温度为40℃～80℃，时间为2h～5h。
25、在其中一个实施例中，碳化处理的温度为700℃～1000℃。
26、在其中一个实施例中，碳化处理的时间为2h～8h。
27、在其中一个实施例中，在对所述中间体碳化处理的步骤之前，还包括如下步骤：
28、对第二聚合反应后得到的固液混合反应液进行洗涤处理洗至洗脱液呈中性，收集固体，对所述固体进行干燥处理，制备所述中间体。
29、在其中一个实施例中，干燥处理的温度为60℃～120℃。
30、在其中一个实施例中，干燥处理的时间为6h～12h。
31、本专利技术还提供一种氮掺杂碳材料，其是根据如上所述的氮掺杂碳材料的制备方法制得。
32、本专利技术还提供一种铂碳催化剂的制备方法，包括按照如上所述的氮掺杂碳材料的制备方法制备氮掺杂碳材料，以及将铂和所述氮掺杂碳材料混合的步骤。
33、在其中一个实施例中，所述铂和所述氮掺杂碳材料的质量比为(30～60):100。
34、在其中一个实施例中，所述将铂和所述氮掺杂碳材料混合的方式为浸渍法、微乳液法、微波法或有机溶胶法。
35、本专利技术还提供一种铂碳催化剂，其是根据如上所述的铂碳催化剂的制备方法制得的。
36、本专利技术还提供如上所述的铂碳催化剂在催化电化学反应中的应用。
37、本专利技术至少具有如下有益效果：
38、本专利技术提供的氮掺杂碳材料的制备方法的制备方法，主要包括将含氮单体、引发剂和ph调节剂于溶剂中混合聚合制备氮源前驱体；将碳材料分散于溶剂中，再与氮源前驱体混合反应制备中间体，以及对中间体进行碳化处理的步骤。
39、本专利技术采用含氮聚合物作为氮源前驱体，通过原位氮掺杂方法能够以相对均匀的方式将氮掺杂到整个碳材料中，氮元素掺杂后可以改变碳材料表面的电荷分布，提高碳材料的导电率、电化学稳定性和耐久性，而且该氮掺杂碳材料具有介孔结构，孔径约为3nm～8nm，性能优异。另外，该氮掺杂碳材料的制备方法简单易行，无需大量的有机溶剂和大量强酸或者强碱，工艺绿色环保易控制，易于放大批量生产。
40、若将该氮掺杂碳材料作为燃料电池铂碳催化剂的载体，其介孔结构可以使得pt颗粒均匀分布，可有效分散pt颗粒，提高pt的利用率。经测试，将本专利技术制备的氮掺杂碳材料作为碳载体沉载50wt％pt纳米颗粒后，电化学测试其质量活性可达0.35a/mgpt。
41、可见，本专利技术经简单工艺，即可实现碳材料的改性，提高其导电率、电化学稳定性和耐久性，进一步实现铂颗粒的均匀有效负载，简便高效，简化了铂碳催化剂的制备方法，易于工业化生产，使其在发电化学催化领域具有广阔的应用前景。
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1.一种氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述碳材料和所述含氮单体的质量比为(1.5～3):1；
3.根据权利要求2所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，第一聚合反应的温度为60℃～100℃，时间为1h～4h；
4.根据权利要求1至3任一项所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，第二聚合反应的温度为40℃～80℃，时间为2h～5h；
5.根据权利要求1至3任一项所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，碳化处理的温度为700℃～1000℃，时间为2h～8h。
6.根据权利要求1至3任一项所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，在对所述中间体碳化处理的步骤之前，还包括如下步骤：
7.一种氮掺杂碳材料，其特征在于，根据权利要求1至6任一项所述的氮掺杂碳材料的制备方法制得。
8.一种铂碳催化剂的制备方法，其特征在于，包括按照权利要求1至6任一项所述的氮掺杂碳材料的制备方法制备氮掺杂碳材料，以及将铂和所述氮掺杂碳材料混合
9.根据权利要求8所述的铂碳催化剂的制备方法，其特征在于，所述铂和所述氮掺杂碳材料的质量比为(30～60):100。
10.一种铂碳催化剂，其特征在于，其是根据权利要求8至9任一项所述的铂碳催化剂的制备方法制得的。
11.权利要求10所述的铂碳催化剂在催化电化学反应中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述碳材料和所述含氮单体的质量比为(1.5～3):1；
3.根据权利要求2所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，第一聚合反应的温度为60℃～100℃，时间为1h～4h；
4.根据权利要求1至3任一项所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，第二聚合反应的温度为40℃～80℃，时间为2h～5h；
5.根据权利要求1至3任一项所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，碳化处理的温度为700℃～1000℃，时间为2h～8h。
6.根据权利要求1至3任一项所述的氮掺杂碳材料的制...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭裕，王英，贾古寨，高姣姣，程晓草，邱天杰，孙奎，
申请(专利权)人：中汽创智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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