Fe‑NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用的制作方法

本发明涉及纳米碳材料领域和电化学催化领域，具体涉及fe-nps共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为orr催化剂的应用。

背景技术：

近年来，燃料电池因其高效、环保等优点有望成为下一代能量转换装置，但是燃料电池中高性能阴极orr催化剂的发展是其实现应用的最主要的挑战。尽管铂基纳米粒子被认为是最好的催化剂，但其昂贵的价格、较低的储存量阻碍了燃料电池的广泛应用。为了克服这一障碍，人们研究了一些非贵金属orr催化剂，例如过渡金属和氮掺杂的碳材料、金属氧化物/碳复合材料和杂原子掺杂碳材料。尤其是由铁、氮和碳(fe-n/c)组成的催化剂是最主要的非贵金属催化剂。

多孔碳材料不仅具有碳材料化学稳定高、导电性好等优点，由于多孔结构的引入，还具有比表面积高、孔道结构丰富、孔径可调等特点，在催化、吸附和电化学储能等方面都得到了广泛的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种简单的合成方法制备fe-nps共掺杂的多孔碳微球，并将其用作orr催化剂。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

1.fe-nps共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为orr催化剂的应用，其特征在于，包括以下步骤：

①在单口瓶内加入六氯环三磷腈和对羟基二苯砜两种单体，加入乙腈作为溶剂，超声10min使其完全溶解；

②向步骤①得到的溶液中加入由溶剂热法制备的直径为80nm的fe3o4，超声10min使其均匀分散，用橡皮塞将单口瓶封口，用注射器迅速注入三乙胺作为缚酸剂，10s形成白色乳液，然后50hz超声，继续反应3小时，然后8000rpm离心10min收集粒子，分别用丙酮、乙醇和去离子水洗涤2次，最终的产物在真空烘箱中40℃干燥；

③将步骤②得到的产物在管式炉中氮气氛围下碳化处理1h，将碳化后的样品用0.5mol/lh2so4处理12h，然后8000rpm离心10min收集，用乙醇洗涤2次，最终的产物在真空烘箱中40℃干燥；

④取5.0mg步骤③得到的样品，加入1ml乙醇和100μl质量分数为10％的nafion溶液，超声30min，使其分散均匀，得到催化剂溶液，用电化学工作站测试其orr催化活性，电解质为o2饱和的0.1mkoh，扫描速率10mvs^-1，旋转速度为1600rpm。

2.如权利要求1所述的fe-nps共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为orr催化剂的应用，其特征在于，所述步骤①中六氯环三磷腈和对羟基二苯砜的摩尔比为1:1～10，六氯环三磷腈的浓度为0.2～0.6mg/ml。

3.如权利要求1所述的fe-nps共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为orr催化剂的应用，其特征在于，所述步骤②中fe3o4与单体的质量比为1:1～7，三乙胺的浓度为0.005～0.015ml/ml。

4.如权利要求1所述的fe-nps共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为orr催化剂的应用，其特征在于，所述步骤③中碳化温度为700～1000℃。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明采用fe3o4为反应模板，同时也为fe源，无需额外的fe掺杂源，制备的碳微球粒径均匀，具有多孔特性，同时掺杂了fe、n、p和s多种元素，具有良好的orr催化活性。

附图说明

图1是实施实例1中制备的fe3o4@pzs核壳微球的tem图。

图2是实施实例1中制备的多孔碳微球的tem图。

图3是实施实例1中制备的多孔碳微球的orr活性曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施实例1

多原子掺杂的多孔碳微球的制备及其作为orr催化剂的应用，包括以下步骤：

①在单口瓶内加入六氯环三磷腈和对羟基二苯砜两种单体，加入乙腈作为溶剂，超声10min使其完全溶解，其中六氯环三磷腈和对羟基二苯砜的摩尔比为1:7，六氯环三磷腈的浓度为0.4mg/ml；

②向步骤①得到的溶液中加入由溶剂热法制备的直径为80nm的fe3o4，超声10min使其均匀分散，用橡皮塞将单口瓶封口，用注射器迅速注入三乙胺作为缚酸剂，10s形成白色乳液，然后50hz超声，继续反应3小时，然后8000rpm离心10min收集粒子，分别用丙酮、乙醇和去离子水洗涤2次，最终的产物在真空烘箱中40℃干燥，其中fe3o4与单体的质量比为1:1，三乙胺的浓度为0.01ml/ml；

③将步骤②得到的产物在管式炉中氮气氛围下碳化处理1h，将碳化后的样品用0.5mol/lh2so4处理12h，然后8000rpm离心10min收集，用乙醇洗涤2次，最终的产物在真空烘箱中40℃干燥，其中碳化温度为800℃；

④取5.0mg步骤③得到的样品，加入1ml乙醇和100μl质量分数为10％的nafion溶液，超声30min，使其分散均匀，得到催化剂溶液，用电化学工作站测试其orr催化活性，电解质为o2饱和的0.1mkoh，扫描速率10mvs^-1，旋转速度为1600rpm。

技术特征：

技术总结
本发明涉及Fe‑NPS共掺杂的多孔碳微球的制备及其作为ORR催化剂的应用，本发明采用溶剂热法制备出80nm Fe3O4磁性微球，并直接以此为模板制备Fe3O4@PZS核壳微球，经碳化、酸化得到Fe‑NPS共掺杂的多孔碳微球。本发明中Fe3O4既为反应的模板也为Fe源，无需额外的Fe掺杂源，制备的碳微球粒径均匀，具有多孔特性，同时掺杂了Fe、N、P和S多种元素，具有良好的ORR催化活性。

技术研发人员：马贵平;许艳婷;聂俊
受保护的技术使用者：北京化工大学常州先进材料研究院
技术研发日：2017.06.07
技术公布日：2017.08.11