CN110255560A - 一种氮掺杂多孔纳米碳材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料及其制备方法和应用，该制备方法是通过使用含碳糖经反应釜制得纳米碳材料后，再将碳材料经碱性溶液造孔，最后进一步与氮源溶液混合，在惰性气体的保护下经过热处理得到高产、高效的氮掺杂多孔纳米碳材料。本发明的制备方法工艺简单、设备投入少、成本低，适合规模化生产，所制备的氮掺杂多孔纳米碳材料具有大的比表面积，优异的导电性，可以应用于析氧和氧还原反应，并能表现出优越的双功能电催化性能，运用该双功能电催化剂制备的锌‑空气电池具有高的开路电压和大的功率密度、小的放电电压间隙和的稳定的放充电性能。
Description
技术领域
本发明属于能源环境与纳米材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂多孔纳米碳材料及其制备方法和应用。
背景技术
在当今能源短缺与环境污染日益突出的大背景下，发展清洁可持续的电化学能源转化技术是目前人们应对这些问题的重要措施。金属-空气电池是一类以电极电位较负的金属如镁、铝、锌、汞、铁等为燃料，与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能的特殊燃料电池，它具有良好的可持续能量转换能力，且比能量高、价格便宜以及性能稳定。但金属-空气电池的性能主要是依赖氧还原（ORR）和氧析出反应（OER）的活性和稳定性，因此，探索和发展性能优异、价格低廉、具有持久ORR和OER双功能的电极材料（电催化剂）非常有利于推动电化学能源转化技术的商业应用。
电催化剂作为电极界面反应以及电子传输的重要场所，能显著地影响电化学能源转换技术的稳定性和效率。其中贵金属铂Pt、钌Ru和铱Ir被认为是性能较好的ORR和OER催化剂，然而贵金属颗粒对电池中的甲醇燃料和一氧化碳产物等比较敏感，接触后易失活，且这些贵金属比较稀缺、存在较少，价格昂贵，这些性质会在很大程度上限制燃料电池和金属-空气电池的大规模生产及应用，因此开发低成本、高稳定性且高催化活性的新型电催化剂对电化学能量转换与储能技术的进一步发展具有深远的意义。
而碳基纳米材料具有良好的物理化学性质、导电性及结构柔韧性，较强的酸性/碱性介质耐受性，化学结构在分子水平上具有可调控性，且价格低廉、储量丰富，因此已被广泛应用于能源、催化及生物医疗等领域。再者，碳基纳米材料作为氧气还原反应催化剂具有较好的催化活性，且对一氧化碳和甲醇不敏感。而杂原子掺杂是指碳骨架材料中的一些碳原子被其它的电负性并且有别于碳的杂原子取代。引入尺寸和电负性不同的杂原子可以诱导碳骨架材料中碳原子的电荷再分配，使得碳电子结构发生变化而产生催化活性。因此杂原子掺杂的碳材料很有希望替代Pt、Ru和Ir等贵金属成为低成本且高效的催化剂。但目前人们仍然对掺杂引起的活性位点、掺杂性质多样性的缺乏一定的了解，同时杂原子掺杂的碳材料的性质还需进一步提升，可以进一步提高其在ORR和OER中的催化活性。虽然开发有效的制备和测试方法来精确控制和检测活性位点的结构、提升电催化性质是非常具有挑战性的，但这将会进一步促进杂原子掺杂的碳材料的发展，也有望解决众多电化学能源转化存储技术对贵金属依赖的难题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料及其制备方法和应用，所述氮掺杂多孔纳米碳材料产量高，比表面积大，ORR和OER催化活性好，其制备方法简单、易于操作，反应条件温和，耗时短且材料易得。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将含碳糖与去离子水按照1:1～1:4的质量比均匀混合后得到糖溶液；
（2）将步骤（1）的糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中进行水热反应，然后冷却过滤，再用去离子水洗涤产物并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）的纳米碳材料与碱性溶液均匀混合后放置在管式炉中，在惰性气体保护下升温至600～1000℃并保温1～5 h，冷却后得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）的多孔纳米碳材料与氮源溶液均匀混合，加入0.05-0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀后放置在管式炉中，在惰性气体保护下升温至600-1000℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
进一步的，所述步骤（1）中含碳糖为葡萄糖、蔗糖、果糖和麦芽糖中的至少一种
进一步的，所述步骤（2）中水热反应温度为140～210℃，水热反应时间为2～8 h。
进一步的，所述步骤（3）中碱性溶液为NaOH、KOH、Na2CO3和K2CO3的至少一种。
进一步的，所述步骤（3）中纳米碳材料与碱性溶液的质量比为2:1～15:1。
进一步的，所述步骤（4）中氮源溶液为多巴胺、三聚氰胺和硫脲中的任一种。
进一步的，所述步骤（4）多孔纳米碳材料与氮源溶液的质量比为1:1～15:1。
进一步的，所述管式炉的升温速度为8～10℃/min。
进一步的，所述惰性气体为氩气或氮气。
本发明还提供了上述制备方法制得的氮掺杂多孔纳米碳材料。
本发明还提供了所述的氮掺杂多孔纳米碳材料在用于制备锌-空气电池中的应用。
进一步的，所述的氮掺杂多孔纳米碳材料的负载量为1～2 mg·cm-2。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
（1）本发明氮掺杂多孔纳米碳材料的制备方法操作简单，所用材料容易获得，设备投入少且成本低、产量高，适合规模化生产；
（2）本发明制备的氮掺杂多孔纳米碳材料比表面积大，ORR和OER催化活性好，活性位点多，稳定性好；
（3）所制备的氮掺杂多孔纳米碳材料应用于析氧和氧还原反应，可以表现出优越的双功能电催化性能，当运用该双功能电催化剂制备的锌-空气电池具有开路电压高和功率密度大、放电电压间隙小和稳定性强的优势，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的氮掺杂多孔纳米碳材料的透射电子显微镜图。
图2为本发明实施例1制备的氮掺杂多孔纳米碳材料的ORR极化曲线对比图。
图3为本发明实施例1制备的氮掺杂多孔纳米碳材料的OER极化曲线对比图。
图4为本发明制备的氮掺杂多孔纳米碳材料制成的锌-空气电池的放电极化曲线与功率密度图。
图5为本发明制备的氮掺杂多孔纳米碳材料制成的锌-空气电池的充放电稳定性检测图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将20g葡萄糖溶于80mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在140℃下水热反应2小时后冷却过滤，用去离子水洗涤产物并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）中得到的10g纳米碳材料与1g NaOH溶液进行混合，然后放置在管式炉中，在氩气保护下以10℃/min速度升温至600℃并保温1 h，冷却后得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与多巴胺溶液按照1:1的质量比进行混合后，加入0.05 mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀后放置在管式炉中，在氩气保护下以10℃/min的速度升温至600℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
图1所示的是氮掺杂多孔纳米碳材料的透射电子显微镜图，从中可以看出该材料的比表面积较大。
图2所示的是氮掺杂多孔纳米碳材料与普通氮掺杂碳材料、商业化Pt/C材料的ORR极化曲线图的对比图，从中可看出氮掺杂多孔纳米碳材料的ORR催化活性要优于另外两种材料。
图3所示的是氮掺杂多孔纳米碳材料与普通氮掺杂碳材料、RuO2材料的OER极化曲线图的对比图，从中可看出氮掺杂多孔纳米碳材料的OER催化活性要优于另外两种材料。
实施例2
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将60g葡萄糖溶于100mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在160℃下水热反应2小时后冷却过滤，用去离子水洗涤产物并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）中得到的20g纳米碳材料与8g KOH溶液进行混合后放置在管式炉中，在氩气保护下以10℃/min速度升温至800℃并保温1 h，冷却后得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与多巴胺溶液按照2:1的质量比进行混合后，加入0.05 mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氩气保护下以10℃/min的速度升温至900℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例3
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将80g葡萄糖溶于120mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180℃下水热反应2小时后冷却过滤，用去离子水洗涤产物并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）中得到的15g纳米碳材料与5g Na2CO3进行混合，然后放置在管式炉中，在氩气保护下以10℃/min速度升温至800℃，并保温1 h，冷却后得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与多巴胺溶液按照3:2的质量比进行混合后，加入0.05 mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氩气保护下以10℃/min的速度升温至900℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例4
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将50g葡萄糖溶于200mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在190℃下水热反应6小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的20g纳米碳材料与5g K2CO3进行混合，然后放置在管式炉中，在氩气保护下以10℃/min速度升温至900℃并保温5 h，冷却后得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与多巴胺溶液按照10:1的质量比进行混合后，加入0.3 mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至1000℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例5
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将100g蔗糖溶于200mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在210℃下水热反应8小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的15g纳米碳材料与1g NaOH混合后放置在管式炉中，在氩气保护下以10 ℃/min速度升温至1000℃，并保温2 h后冷却，得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与多巴胺溶液按照6:1的质量比进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至1000℃，并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例6
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将60 g蔗糖溶于150 mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在140℃下水热反应6小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（1）得到的10g纳米碳材料与1g KOH混合，然后放置在管式炉中，以10 ℃/min速度升温至1000℃并保温3 h后冷却，得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与多巴胺溶液按照15:1的质量比进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至1000℃，并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例7
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将80 g蔗糖溶于160 mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在160℃下水热反应6小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的10g纳米碳材料与2g Na2CO3混合，然后放置在管式炉中，以10℃/min速度升温至900℃并保温2 h后冷却，得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与多巴胺溶液按照15:1的质量比进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至1000℃，并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例8
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将100 g蔗糖溶于180 mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180℃下水热反应6小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的9g纳米碳材料与3g K2CO3混合后放置在管式炉中，以10 ℃/min速度升温至900℃并保温2 h后冷却，得到多孔纳米碳材料；
（3）将步骤（2）中得到的多孔纳米碳材料与多巴胺溶液按照10:1的质量比进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至900℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例9
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将80 g果糖溶于160 mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在160℃下水热反应6小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的5g纳米碳材料与2g NaOH混合后放置在管式炉中，以10℃/min速度升温至900℃并保温2 h后冷却，得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与三聚氰胺溶液按照5:1质量比进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至800℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例10
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将100 g葡萄糖溶于180 mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180℃下水热反应8小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的6g纳米碳材料与2g KOH混合后放置在管式炉中，以10 ℃/min速度升温至900℃并保温2 h后冷却，得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与三聚氰胺溶液按照8:1的质量比进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至800℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例11
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将100 g葡萄糖溶于180 mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180℃下水热反应8小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的5g纳米碳材料与2g KOH混合后放置在管式炉中，以10 ℃/min速度升温至900℃并保温2 h，冷却后得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与三聚氰胺溶液按照8:1的质量比进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至800℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例12
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将100 g葡萄糖溶于180 mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180℃下水热反应6小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的9g纳米碳材料与3g K2CO3混合后放置在管式炉中，以10 ℃/min速度升温至900℃并保温2 h后冷却得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料以10:1的质量比与三聚氰胺溶液进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至900℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例13
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将80 g麦芽糖溶于160 mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在160℃下水热反应6小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的5g纳米碳材料与2g NaOH混合后放置在管式炉中，以10 ℃/min速度升温至900℃，并保温2 h后冷却，得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与硫脲溶液按照5:1的质量比进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至900℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例14
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将80 g葡萄糖溶于160 mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在160℃下水热反应6小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的4g纳米碳材料与2g KOH混合后放置在管式炉中，以10 ℃/min速度升温至900℃并保温2 h后冷却得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与硫脲溶液按照5:1的质量比进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至900℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例15
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将80 g葡萄糖溶于160 mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在160℃下水热反应6小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的4g纳米碳材料与2g Na2CO3混合，然后放置在管式炉中，以10℃/min速度升温至900℃并保温2 h后冷却得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与硫脲溶液按照5:1的质量比进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至900℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例16
本实施例提供了一种氮掺杂多孔纳米碳材料，它用以下制备方法制得：
（1）将100 g葡萄糖溶于180 mL去离子水中，得到糖溶液；
（2）将糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180℃下水热反应6小时后冷却过滤，用去离子水洗涤并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）得到的9g纳米碳材料与3g K2CO3混合后放置在管式炉中，以10℃/min速度升温至900℃并保温2 h后冷却得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）中得到的多孔纳米碳材料与硫脲溶液按照8:1质量比进行混合后，加入0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀，将产物放置在管式炉中，在氮气保护下以10℃/min的速度升温至900℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
本实施例所得到的氮掺杂多孔纳米碳材料的结构、形态、催化活性和功率密度等没有明显变化，与实施例1非常相似。
实施例17
本发明中制得的氮掺杂多孔纳米碳材料用来制备锌-空气电池，方法如下：
（1）空气电极的制备
使用碳纸Toray TGP-H-060作为气体扩散层。将炭黑与聚偏氯乙烯（PVDF）按10：1的质量比混合，加入适量的N,M-二甲基甲酰胺调成浆糊状；将混合物均匀涂覆到碳纸上，常温下干燥，后续升温至70℃使PVDF发挥粘性。将10mg氮掺杂多孔纳米碳材料（催化剂）通过超声分散到1mL的由0.2mL Nafion，0.5mL去离子水和0.5mL异丙醇混合而成的溶液中，制得催化剂油墨；取0.2mL催化剂油墨滴加到制备的碳纸上，室温下烘干，该催化剂负载量为1.14mg·cm-2。
（2）锌-空气电池的组装与电化学性能测试
实验室自制的锌-空气电池的负极使用锌片（长×宽：2.5cm×2.0cm，厚度：0.5mm），正极为上述制备的空气电极，电解液为6M KOH+0.2M Zn(CH3COO)2。
以空气中的氧气作为反应气体，采用LSV获取锌-空气电池的功率密度曲线数据，结果如图4所示，从中可看出由本发明制备的氮掺杂多孔纳米碳材料制成的电池功率密度大，且氮掺杂多孔纳米碳材料可以促进放电。再使用计时电位法（CP）测试电池的充放电稳定性，结果如图5所示，可以看出由本发明制备的氮掺杂多孔纳米碳材料制成的锌-空气电池具有稳定的充放电能力。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种氮掺杂多孔纳米碳材料的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂多孔纳米碳材料的制备方法包括以下步骤：
（1）将含碳糖与去离子水按照1:1～1:4的质量比均匀混合后得到糖溶液；
（2）将步骤（1）的糖溶液加入至聚四氟乙烯内衬的反应釜中进行水热反应，然后冷却过滤，再用去离子水洗涤产物并干燥后得到纳米碳材料；
（3）将步骤（2）的纳米碳材料与碱性溶液均匀混合后放置在管式炉中，在惰性气体保护下升温至600～1000℃并保温1～5 h，冷却后得到多孔纳米碳材料；
（4）将步骤（3）的多孔纳米碳材料与氮源溶液均匀混合，加入0.05～0.5mol/L的三羟甲基氨基甲烷溶液室温混匀后放置在管式炉中，在惰性气体保护下升温至600～1000℃并保温2 h，冷却后得到氮掺杂多孔纳米碳材料。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔纳米碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中含碳糖为葡萄糖、蔗糖、果糖和麦芽糖中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔纳米碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中水热反应温度为140～210℃，水热反应时间为2～8 h。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔纳米碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中纳米碳材料与碱性溶液的质量比为2:1～15:1。
5.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔纳米碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中氮源溶液为多巴胺、三聚氰胺和硫脲中的任一种。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔纳米碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中多孔纳米碳材料与氮源溶液的质量比为1:1～15:1。
7.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔纳米碳材料的制备方法，其特征在于，所述管式炉的升温速度为8～10℃/min。
8.权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的氮掺杂多孔纳米碳材料。
9.权利要求8所述的氮掺杂多孔纳米碳材料在用于制备锌-空气电池中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的氮掺杂多孔纳米碳材料的负载量为1～2 mg·cm-2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190920 |