CN103977825B - 一种磷掺杂多孔碳催化剂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磷掺杂多孔碳催化剂及制备方法，所需的原料及原料的质量百分比是：二甲基甲酰胺(DMF)70％-80％、聚丙烯腈10％-20％、三苯基磷(TTP)5％-20％，经过溶解、静电纺丝、预氧化、高温热处理工艺制得。本发明的制备方法简单、成本低、磷的含量及孔隙率可控、制备的磷掺杂多孔碳催化剂活性较高，有着广阔的应用前景，具备显著的经济和社会效益。本发明的显著优点在于：本发明的制备方法简单、成本低、制备过程无污染、多孔碳材料的孔隙率以及磷含量可控，所得磷掺杂多孔碳具有优异的氧还原催化能力，有着很大的应用潜力，具备显著的经济和社会效益。

Description

一种磷掺杂多孔碳催化剂及制备方法

技术领域

本发明属于燃料电池阴极氧还原催化剂领域，具体涉及一种磷掺杂多孔碳催化剂及制备方法。

背景技术

燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，具有高效无污染的特点，是一种具有广阔应用前景的新型能源。但是其发展却受限于阴极氧还原反应速率。实际应用中常使用铂基合金作为催化剂来提高阴极氧还原速率。但是铂催化剂存在造价高昂和效率低的缺点，极大程度上阻碍了燃料电池的大规模商用，因此发展新型的氧还原催化剂具有重要的意义。与铂基合金催化剂相比，非金属催化剂具有不易溶解于电解液，不易团聚的优点，因此非金属催化剂具有更好的活性保持率。目前非金属催化剂的研究主要集中在氮掺杂碳材料(氮掺杂碳纳米管、氮掺杂石墨烯等)领域。而磷作为与氮同族元素，具有与氮原子类似的化学性质，同时随着原子半径的增加，磷原子更容易失去电子。近期相关研究表明，通过对碳材料进行磷掺杂可以获得更好的氧化反应催化活性。

然而，现有磷掺杂碳材料的制备方法通常存在制备周期长，工艺复杂等特点。文献1“Phosphorus-DopedOrderedMesoporousCarbonswithDifferentLengthsasEfficientMetal-FreeElectrocatalystsforOxygenReductionReactioninAlkalineMedia.JournaloftheAmericanChemicalSociety,39(2012):16127-16130”介绍了一种磷掺杂介孔碳材料的制备方法，该方法使用苯酚和三苯基磷作为碳源和磷源，需要将原料注入硅石模板中，并且在后期去除模板过程中使用大量的氢氟酸。因此此方法存在制备成本高且污染严重的情况。而文献2：“Additionaldopingofphosphorusand/orsulfurintonitrogen-dopedcarbonforefficientoxygenreductionreactioninacidicmedia.PhysicalChemistryChemicalPhysics,6(2013):1802-1805”、文献3：“Synthesisofnitrogen-dopedgraphenefilmsforlithiumbatteryapplication.AcsNano,11(2010):6337-6342”提出了高温固相反应法制备磷掺杂碳纳米管和磷掺杂石墨烯，但是其制备产物磷含量和孔隙率并不可控，这在很大程度上限制了磷掺杂碳材料在催化领域的应用。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种磷掺杂多孔碳催化剂及制备方法，本发明的制备方法简单、成本低、无污染，并且磷元素的掺杂含量、孔隙率可控，制备所得的磷掺杂多孔碳具有优异的氧还原催化性能，具有显著的经济和社会效益。

技术方案

一种磷掺杂多孔碳催化剂，其特征在于组份的质量百分比为：二甲基甲酰胺DMF为70％-80％、聚丙烯腈为10％-20％、三苯基磷TTP为5％-20％；组合物中各组分的质量百分比之和为100％。

一种制备所述磷掺杂多孔碳催化剂的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将二甲基酰胺、聚丙烯腈和三苯基磷在容器中混合，搅拌至聚丙烯腈和三苯基磷全部溶于二甲基酰胺，然后将溶液在室温条件下静置24h；

步骤2：将配制的溶液注入静电纺丝装置，通过静电纺丝的方法对材料进行预成型；所述静电纺丝参数如下：溶液供给速率为0.1ml/h,静电纺丝电压为10-20kV；

步骤3：将静电纺丝过程中得到的白色薄膜材料取出，在250℃温度的空气中进行预氧化；

步骤4：所得材料在Ar/H₂混合气体条件及800-1000℃温度条件下进行热处理1h，得到磷掺杂多孔碳催化剂。

所述步骤1的搅拌是按照单一直线方向往复搅拌。

有益效果

本发明提出的一种磷掺杂多孔碳催化剂及制备方法，所需的原料及原料的质量百分比是：二甲基甲酰胺(DMF)70％-80％、聚丙烯腈10％-20％、三苯基磷(TTP)5％-20％，经过溶解、静电纺丝、预氧化、高温热处理工艺制得。本发明的制备方法简单、成本低、磷的含量及孔隙率可控、制备的磷掺杂多孔碳催化剂活性较高，有着广阔的应用前景，具备显著的经济和社会效益。

本发明的显著优点在于：本发明的制备方法简单、成本低、制备过程无污染、多孔碳材料的孔隙率以及磷含量可控，所得磷掺杂多孔碳具有优异的氧还原催化能力，有着很大的应用潜力，具备显著的经济和社会效益。

附图说明

图1是磷掺杂多孔碳催化剂的扫描电子显微镜图片；

图2是磷掺杂多孔碳催化剂的X射线光电子能谱P2p谱图；

图3是磷掺杂多孔碳催化剂的循环伏案测试结果。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例一：

1)在烧杯中加入质量百分比为80％的二甲基甲酰胺(DMF)、10％聚丙烯腈、10％三苯基磷(TTP)。单一直线方向往复搅拌至聚丙烯腈和三苯基磷全部溶于二甲基酰胺，然后将溶液在室温条件下静置24h；

2)将配置的溶液加入静电纺丝装置，通过静电纺丝的方法对材料进行预成型。静电纺丝参数如下：

溶液供给速率0.1ml/h,静电纺丝电压：15kV，接收距离：15cm

3)将静电纺丝过程中得到的白色薄膜材料取出，在250℃大气环境下进行预氧化；

4)将3)中所得材料在Ar/H₂混合气体条件及800℃下进行热处理1h，即可得到磷掺杂多孔碳催化剂。

实施例二：

1)在烧杯中加入质量百分比为75％的二甲基甲酰胺(DMF)、15％的聚丙烯腈、10％的三苯基磷(TTP)。单一直线方向往复搅拌至聚丙烯腈和三苯基磷全部溶于二甲基酰胺，然后将溶液在室温条件下静置24h；

2)将配置的溶液加入静电纺丝装置，通过静电纺丝的方法对材料进行预成型。静电纺丝参数如下：

溶液供给速率0.1ml/h,静电纺丝电压：13kV,接收距离:15cm

3)将静电纺丝过程中得到的白色薄膜材料取出，在250℃大气环境下进行预氧化；

4)将3)中所得材料在Ar/H₂混合气体条件及900℃下进行热处理1h，即可得到磷掺杂多孔碳催化剂。

实施例三：

1)在烧杯中加入质量分数为80％的二甲基甲酰胺(DMF)、10％聚丙烯腈、10％三苯基磷(TTP)。单一直线方向往复搅拌至聚丙烯腈和三苯基磷全部溶于二甲基酰胺，然后将溶液在室温条件下静置24h；

2)将配置的溶液加入静电纺丝装置，通过静电纺丝的方法对材料进行预成型。静电纺丝参数如下：

溶液供给速率0.1ml/h,静电纺丝电压：13kV，接收距离：15cm

3)将静电纺丝过程中得到的白色薄膜材料取出，在250℃大气环境下进行预氧化；

4)将3)中所得材料在Ar/H₂混合气体条件及1000℃下进行热处理1h，即可得到磷掺杂多孔碳催化剂。

本发明所制备的磷掺杂多孔碳催化剂，具有合理的三维结构孔隙分布(如图1所示)，这保证了所制备的催化剂具有大的比表面积，同时利于氧气在催化剂表面及内部的扩散。同时，绝大部分磷原子以P-C键与多孔碳链接，很大程度上提高了磷掺杂多孔碳的催化活性。图3为所制备催化剂的催化活性测试结果，其中虚线表示在不含有氧的0.1mol/L中催化剂的循环伏安曲线，实线表示在氧饱和0.1mol/L的KOH中测得的催化剂的循环伏安曲线，从图中可以清楚看到，该催化剂具有优异的氧还原催化活性。

Claims (2)

1.一种磷掺杂多孔碳催化剂的制备方法，所述的磷掺杂多孔碳催化剂组份的质量百分比为：二甲基甲酰胺DMF为70％-80％、聚丙烯腈为10％-20％、三苯基磷TPP为5％-20％；组合物中各组分的质量百分比之和为100％；其特征在于磷掺杂多孔碳催化剂的制备方法的步骤如下：

步骤1：将二甲基甲酰胺、聚丙烯腈和三苯基磷在容器中混合，搅拌至聚丙烯腈和三苯基磷全部溶于二甲基甲酰胺，然后将溶液在室温条件下静置24h；

步骤2：将配制的溶液注入静电纺丝装置，通过静电纺丝的方法对材料进行预成型；所述静电纺丝参数如下：溶液供给速率为0.1ml/h,静电纺丝电压为10-20kV；

步骤3：将静电纺丝过程中得到的白色薄膜材料取出，在250℃温度的空气中进行预氧化；

步骤4：所得材料在Ar/H₂混合气体条件及800-1000℃温度条件下进行热处理1h，得到磷掺杂多孔碳催化剂。

2.根据权利要求1所述磷掺杂多孔碳催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1的搅拌是按照单一直线方向往复搅拌。