一种氮掺杂石墨炔、制备方法及其用图
【技术领域】
[0001] 本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种氮掺杂石墨炔、制备方法及其用途，具体 涉及一种氮掺杂石墨炔、制备方法及其用途，以及氮掺杂石墨炔复合材料、制备方法及其用 途，氮掺杂石墨炔和氮掺杂石墨炔复合材料均可作为氧还原催化剂材料。
【背景技术】
[0002] 燃料电池因其优越的性能和环境无污染性，一直是能源研究领域的热点。燃料电 池具有以下特点：能量转化效率高；它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧 过程，因而不受卡诺循环的限制。燃料电池系统的燃料-电能转换效率在45%~60%，而火 力发电和核电的效率大约在30%~40%。然而，由于其采用贵金属钼纳米粒子作为电极催 化材料，燃料电池的发展受到很大限制。目前仅仅在航天航空等高科技领域得以应用。燃 料电池中钼材料的成本占整个燃料电池成本的40%左右。燃料电池中钼催化剂主要用于电 池阴极用于催化氧气的电化学还原。而且，钼催化剂还具有另一大缺点，即抗甲醇毒化性较 差，从而大大降低了电池的使用效率。因此开发具有高的氧气还原催化活性、抗甲醇干扰和 高稳定性的廉价的氧气还原催化材料是各国研究的热点问题。
[0003] 碳纳米材料作为一类新型的氧气还原催化剂近年来受到越来越多的关注。氮掺 杂碳材料（包括活性炭、碳纳米管与石墨烯）作为无金属的氧气还原反应电催化剂受到 了人们广泛的关注。它们在电催化氧气还原反应中显示了惊人的催化活性，其催化活性比 对应非氮掺杂的碳材料显著提高，接近甚至超过了商业化钼/碳（Pt/C)的催化活性。美 国Dayton大学Dai Liming教授报道了一种氮掺杂碳纳米管阵列作为高效氧气还原催化 剂（Science，2009,323,760-763)。美国 Standford 大学的 Dai Hongjie 教授报道了一种 负载四氧化三钴的氮掺杂石墨烯作为高活性氧气还原催化剂（Nature Material, 2011，10， 780-786)。
[0004] 在1997年，Haley等人提出了一种新型的2-D碳材料-石墨炔,其属于非天然的 碳的同素异形体，同时具有sp与sp 2杂化的碳。完美的石墨炔是一种全碳分子，其结构式 如下所示。
[0005]
【主权项】
1. 一种氮掺杂石墨炔，其特征在于，所述氮掺杂石墨炔具有在石墨炔骨架及边缘引入 含氮官能团或者用氮原子取代石墨炔原有碳原子从而形成的大分子结构。
2. 如权利要求1所述的氮掺杂石墨炔，其特征在于，所述氮掺杂石墨炔中氮原子的原 子百分含量为1~50%，优选5~45%，进一步优选10~40%。
3. -种如权利要求1或2所述的氮掺杂石墨炔的制备方法，其特征在于，所述方法包括 如下步骤： 将石墨炔粉末在含氮混合气体中，在200~900°C加热10~500分钟后，自然冷却，即 得氮掺杂石墨炔。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述加热温度为240~860°C，优选310~ 810°C ； 优选地，所述加热时间为50~450分钟，优选100~400分钟。
5. 如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述含氮混合气体为N2或/和惰性气 体与NO、N02、NH 3或N2H4中的任意一种或者至少两种的组合形成的混合气体，所述NO、N0 2、 NH3或N2H4中的任意一种或者至少两种的组合占含氮混合气体的体积百分含量为1~70%， 优选5~20% ; 优选地,所述含氮混合气体为N2和惰性气体形成的混合气体，所述N2占含氮混合气体 的体积百分含量为1~70%，优选5~20% ; 优选地，所述惰性气体为He、Ne、Ar、Kr、Xe或Rn中的任意一种或者至少两种的组合。
6. -种氮掺杂石墨炔复合材料，所述复合材料包括如权利要求1或2所述的氮掺杂石 墨炔及负载在氮掺杂石墨炔上的金属纳米粒子或/和半导体纳米粒子。
7. 如权利要求6所述的复合材料，其特征在于，所述金属纳米粒子选自四氧化三铁、氧 化亚铁、金、银、钼或钯中的任意一种或者至少两种的混合物； 优选地，所述半导体纳米粒子选自氧化钴、四氧化三钴或氧化铁中的任意一种或者至 少两种的混合物； 优选地，所述金属纳米粒子和半导体纳米粒子的粒径均独立地为1~500nm，优选1~ 50nm ； 优选地，所述金属纳米粒子或/和半导体纳米粒子的负载量为1~70%，优选为1~ 50%，进一步优选为1~30%。
8. -种如权利要求6或7所述的氮掺杂石墨炔复合材料的制备方法，其特征在于，所述 方法包括如下步骤： 将金属纳米粒子或/和半导体纳米粒子的水分散液和氮掺杂石墨炔混合均匀，即得到 氮掺杂石墨炔复合材料。
9. 一种如权利要求1或2所述的氮掺杂石墨炔的用途，其特征在于，所述氮掺杂石墨炔 用于氧还原催化剂材料。
10. -种如权利要求6或7所述的氮掺杂石墨炔复合材料的用途，其特征在于，所述氮 掺杂石墨炔复合材料用于氧还原催化剂材料。
【专利摘要】本发明公开了一种氧还原电催化剂氮掺杂石墨炔及其复合材料。本发明还涉及氮掺杂石墨炔的制备方法。将石墨炔粉末在含有含氮源的混合气体中，在一定温度下加热，并保持一定的时间后自然冷却，即获得氮掺杂石墨炔材料。本发明所述催化剂材料活性高，较商业化的Pt/C催化剂具有输出电流大，还原电位更正，抗甲醇干扰性强，稳定性强等的优点。
【IPC分类】B01J27-24, H01M4-90
【公开号】CN104667953
【申请号】CN201310632101
【发明人】张光晋, 刘荣基, 张双双
【申请人】中国科学院过程工程研究所
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2013年11月29日