一种氮硫磷共掺杂碳材料及其制备方法与应用与流程

本发明属于电池，尤其涉及一种氮硫磷共掺杂碳材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、膜电极是质子交换膜燃料电池中的核心，是发生化学反应的主要场所；阴阳极催化层是催化剂化学反应的关键部件，催化层中水气传输对于燃料电池性能的发挥着重大作用。目前，质子交换膜燃料电池商用的催化剂主要是碳负载铂或碳负载铂基合金，其易受离子聚合物的毒化而失去活性，并影响水气传输。此外，在催化剂应用过程中，由于粒子之间的范德华相互作用使得金属纳米粒子易于团聚，形成大颗粒，从而降低了催化剂的催化效率。

2、目前，制备层叠多孔碳材料主要采用模板法和活化法两种方法。但是，模板合成策略涉及多个步骤，如模板制备、碳前驱体浸泡、高温碳化、模板去除等，实际应用中存在成本高、工艺繁琐、效率低等问题。碳材料的活化策略对于获得高比表面积和足够的孔隙度是强有力的，但它是以碳产量为代价的，并且需要额外的腐蚀性化学品，导致制备效率低，能耗高，污染严重。

3、在众多类型的碳材料中，理论和实验结果都表明，石墨烯作为一种单碳原子层厚度的二维晶体，具有最高的电子迁移率、导热性以及机械强度等物理化学性能，一直备受研究者的青睐。碳纳米管是一种独特的一维纳米材料，具有独特的结构和优越的电学、光学、化学和热力学性质，受到了人们越来越多的关注。然而，石墨烯和碳纳米管在应用时由于范德华力的作用发生不可逆转的团聚堆积，导致比表面积显著损失，减少暴露的活性位点，破坏原有的优异的力学、电学特性。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种氮硫磷共掺杂碳材料及其制备方法与应用，旨在解决现有石墨烯和碳纳米管在应用时由于范德华力的作用发生不可逆转的团聚堆积，导致比表面积显著损失，减少暴露的活性位点，破坏原有的优异的力学、电学特性等问题。

2、为实现上述目的，一方面，本发明实施例提供一种氮硫磷共掺杂碳材料的制备方法，包括如下步骤：

3、s01、将前驱体、碳材料、交联剂和三乙胺加入溶剂中，混合均匀，得到混合液；所述前驱体+所述交联剂的质量和与所述碳材料的质量之比为(0.8～20)：1，所述交联剂的质量为所述前驱体的质量的1～10倍，所述三乙胺的质量为所述前驱体质量的1～10倍；

4、s02、将步骤s01的混合液进行聚合反应，得到反应液；将所述反应液洗涤，取洗涤后的固体物，真空干燥，得到产物；

5、s03、在惰性气氛下，将步骤s02的产物进行碳化处理，得到氮硫磷共掺杂碳材料。

6、作为优选的实施方式，步骤s01中，

7、所述混合液中，所述前驱体的质量浓度为3g/l～6g/l，所述交联剂的质量浓度为3g/l～10g/l，所述碳材料的质量浓度为6g/l～16g/l。

8、所述前驱体为六氯环三磷腈。

9、所述碳材料为石墨烯或碳纳米管中的至少一种。

10、所述交联剂为磺酰二苯酚。

11、所述溶剂为甲醇或乙醇中的至少一种。

12、所述混合为超声分散混合。

13、作为优选的实施方式，步骤s02中，

14、所述聚合反应为于室温下搅拌或于室温下超声进行，所述聚合反应的时间为6h～24h。

15、所述洗涤通过水、甲醇或乙醇进行洗涤。

16、所述真空干燥为于60℃真空干燥。

17、作为优选的实施方式，步骤s03中，

18、所述惰性气氛为氮气气氛。

19、所述碳化处理通过如下方式进行：于100℃～200℃保温0h～0.5h，然后升温至700℃～1000℃，于700℃～1000℃保温0.5h～2h。

20、所述升温的速度为2k/min～10k/min。

21、另一方面，本发明实施例还提供一种氮硫磷共掺杂碳材料，所述氮硫磷共掺杂碳材料由上述制备方法制备得到。

22、再一方面，本发明实施例还提供所述氮硫磷共掺杂碳材料的应用，所述氮硫磷共掺杂碳材料可以应用于制备催化剂。

23、作为优选的实施方式，所述催化剂通过如下方法进行制备：将所述氮硫磷共掺杂碳材料均匀分散于乙二醇水溶液中，得到分散液；然后将金属前驱体盐加入所述分散液中，混合均匀，得到混合分散液；在微波条件下，将所述混合分散液进行加热反应，得到催化剂。

24、优选的，所述乙二醇水溶液中，乙二醇的体积分数大于或等于50％。

25、优选的，所述金属前驱体盐为金属的纳米无机盐或纳米有机盐。

26、优选的，所述金属为贵金属或过渡非贵金属中的至少一种。

27、优选的，所述贵金属为铂、钯、金、铱或钌中的至少一种；所述过渡族非贵金属为铁、钴、镍或铜中的至少一种。

28、优选的，所述加热反应的温度大于120℃，所述加热反应的时间大于30s。这样，采用微波辅助乙二醇还原法，以氮硫磷共掺杂碳材料为载体，使得纳米金属颗粒能够很好的附着在氮硫磷共掺杂碳材料的微孔、介孔以及表面上。

29、通过本申请方法，能够制备得到多层次、多孔、多杂原子掺杂的碳材料，多级孔结构和多层次(即大的比表面积)有利于实现纳米金属颗粒的均匀负载，多原子掺杂有利于改善石墨烯或碳纳米管的物理和电化学性能。通过本申请方法，可以将石墨烯或碳纳米管结构三维化，同时掺杂多种杂原子，解决石墨烯或碳纳米管在应用时易团聚、堆叠的问题。本申请的制备方法环保、方便、经济，易于操作和实现。通过本申请碳材料负载金属纳米颗粒制备得到的催化剂，应用在燃料电池领域时，多原子掺杂能加强载体和纳米金属颗粒的作用力，增加了催化剂稳定性，多级孔结构有利于抑制离聚物中毒，加强催化层的气体扩散和水传输。

技术特征：

1.一种氮硫磷共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的氮硫磷共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述混合液中，所述前驱体的质量浓度为3g/l～6g/l，所述交联剂的质量浓度为3g/l～10g/l，所述碳材料的质量浓度为6g/l～16g/l。

3.根据权利要求1所述的氮硫磷共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述前驱体为六氯环三磷腈；

4.根据权利要求1所述的氮硫磷共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，步骤s02中，所述聚合反应为于室温下搅拌或于室温下超声进行，所述聚合反应的时间为6h～24h；

5.根据权利要求1所述的氮硫磷共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，步骤s03中，所述惰性气氛为氮气气氛；

6.根据权利要求5所述的氮硫磷共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述升温的速度为2k/min～10k/min。

7.一种氮硫磷共掺杂碳材料，其特征在于，所述氮硫磷共掺杂碳材料由权利要求1至6任一项所述的制备方法制备得到。

8.权利要求7所述的氮硫磷共掺杂碳材料的应用，其特征在于，所述氮硫磷共掺杂碳材料应用于制备催化剂。

9.根据权利要求8所述的氮硫磷共掺杂碳材料的应用，其特征在于，所述催化剂通过如下方法进行制备：将所述氮硫磷共掺杂碳材料均匀分散于乙二醇水溶液中，得到分散液；然后将金属前驱体盐加入所述分散液中，混合均匀，得到混合分散液；在微波条件下，将所述混合分散液进行加热反应，得到催化剂；

10.根据权利要求9所述的氮硫磷共掺杂碳材料的应用，其特征在于，所述贵金属为铂、钯、金、铱或钌中的至少一种；所述过渡族非贵金属为铁、钴、镍或铜中的至少一种；

技术总结本申请提供一种氮硫磷共掺杂碳材料的制备方法，包括步骤：S01、将前驱体、碳材料、交联剂和三乙胺加入溶剂中，混合均匀，得到混合液；所述前驱体+所述交联剂的质量和与所述碳材料的质量之比为(0.8～20)：1，所述交联剂的质量为前驱体的质量的1～10倍，所述三乙胺的质量为前驱体质量的1～10倍；S02、将所述混合液进行聚合反应，得到反应液；将反应液洗涤，取洗涤后的固体物，真空干燥，得到产物；S03、在惰性气氛下，将所述产物进行碳化处理，得到氮硫磷共掺杂碳材料。本申请还提供一种氮硫磷共掺杂碳材料及其应用。本申请将石墨烯或碳纳米管结构三维化，并掺杂多种杂原子，解决石墨烯或碳纳米管在应用时易团聚、堆叠的问题。技术研发人员：徐广英,张震受保护的技术使用者：深圳市氢瑞燃料电池科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/29