本發明專利技術涉及一種陰離子功能化的離子液體作為前驅體制備具有氮磷共摻的炭材料用作氧還原催化劑，傳統的類似材料一般為只有一種氮元素摻雜，雖然這類催化劑有一定的催化性能，但是性能還有待提高。采用本發明專利技術中描述的催化劑，則可以獲得一種氮磷共摻的碳材料，由于N，P的共同作用，其催化性能得到顯著提高。
【技術實現步驟摘要】
1.
一種N，P共摻炭材料的制備以及作為氧還原反應非金屬催化劑的應用。2.
技術介紹
在對能源需求日趨緊張的今天，必須尋找一種新的能源以緩解能源大量消耗所帶來的環境和能源問題。由于具有較高的能量密度和較低的污染物排放，金屬-空氣電池和燃料電池被認為是一種具有較有潛力的新型替代電源。無論對于金屬-空氣電池還是燃料電池，發生在陰極的氧還原反應都是一種重要的電極反應(Chang，C.；Wen，T.Aninvestigationofthermallypreparedelectrodesforoxygenreductioninalkalinesolution.Mater.Chem.Phys.1997，47，203.)，對電池的正常運轉起到關鍵作用，但其反應活化能較高，反應困難，為降低反應活化能，促進電極反應，必須采用大量的貴金屬催化劑，特別是Pt催化劑，以保證電池的正常工作。由于這類貴金屬儲量稀少價格昂貴，導致這類電源成本較高，從而能難以大規模使用。針對這一問題，已有很多研究者做了大量工作試圖降低貴金屬載量，但最終的解決方法還是尋找非貴金屬的催化劑作為替代催化劑(Chen，Z.W.；Higgins，D.；Yu，A.P.；Zhang，L.；Zhang，J.J.Areviewonnon-preciousmetalelectrocatalystsforPEMfuelcells.EnergyEnviron.Sci.2011，4，3167)。自上世紀60年代開始研究非貴金屬催化劑以來(Jasinski.Anewfuelcellcathodecatalyst.Nature1964，201，1212)，已經開發出多種可能的非貴金屬催化劑，其中基于金屬氧化物的摻氮碳材料成為最有希望的一種非貴金屬催化劑，不過這類催化劑的性能還有待進一步提高。除了上述金屬催化劑外，另外一類摻氮碳材料的無金屬催化劑也受到廣泛關注。近年來，具有一定微觀結構的摻氮碳材料如摻氮碳納米管，摻氮石墨烯等作為氧還原非金屬催化劑近年來受到廣泛關注(Gong，K.，Du，F.，Xia，Z.，Durstock，M.&Dai，L.Nitrogen-dopedcarbonnanotubearrayswithhighelectrocatalyticactivityforoxygenreduction.Science323，760-764(2009).Liu，R.，Wu，D.，Feng，X.&Müllen，K.Nitrogen-dopedorderedmesoporousgraphiticarrayswithhighelectrocatalyticactivityforoxygenreduction.Angew.Chem.Int.Ed.49，2565-2569(2010).Wang，S.etal.BCNgrapheneasefficientmetal-freeelectrocatalystfortheoxygenreductionreaction.Angew.Chem.Int.Ed.51，209-4212(2012).但是非金屬催化劑的性能目前還比較低，有必要進一出開發非金屬催化劑。除了常見的摻氮炭材料外，N，P共摻的炭材料也是一類重要的非金屬催化劑(Wang，S.etal.VerticallyalignedBCNnanotubesasefficientmetal-freeelectrocatalystsfortheoxygenreductionreaction：asynergeticeffectbyco-dopingwithboronandnitrogen.Angew.Chem.Int.Ed.50，11756-11760(2011).15.Liang，J.，Jiao，Y.，Jaroniec，M.&Qiao，S.Z.Sulfurandnitrogendual-dopedmesoporousgrapheneelectrocatalystforoxygenreductionwithsynergisticallyenhancedperformance.Angew.Chem.Int.Ed.51，11496-11500(2012).16.Xue，Y.etal.Three-dimensionalB，N-dopedgraphenefoamasametal-freecatalystforoxygenreductionreaction.Phys.Chem.Chem.Phys.15，12220-12226(2013).17.Jiao，Y.，Zheng，Y.，Jaroniec，M.&Qiao，S.Z.Originoftheelectrocatalyticoxygenreductionactivityofgraphene-basedcatalysts：aroadmaptoachievethebestperformance.J.Am.Chem.Soc.136，4394-4403(2014).)。制備這類材料一般需要炭，N，P三種前驅體，制備過程復雜。本專利目的是提出一種功能化的離子液體的制備，并作為N，C，P前驅體制備氮，磷共摻的碳材料。電化學測試明，這種方法制得的樣品具有較好的氧還原催化活性。3
技術實現思路
本專利技術目的在于開發一種低成本、環境友好的N，P共摻的碳材料，以用作非金屬催化劑前驅體。本專利技術通過以下方式實現。一種造孔功能化的聚離子液體，它包括以下步驟：步驟1.將咪唑或吡啶與某種含磷的酸反應，該酸可以是磷酸、磷鎢酸等含磷酸；步驟2.將上述固體在500～1000℃環境中、惰性氣體保護下進行煅燒1～4h，冷卻后獲得碳化產物步驟3.將上述產物研磨成粉末，獲得最終產物。4附圖說明圖1為本專利制備的材料在0.1MKOH水溶液中獲得的線性掃描測試結果，可見其起實電位可以達到0.95VRHE，已經很接近常用的炭載鉑(Pt/C)催化劑的起始電位(～1V)。5具體實施方式以下給出本專利技術的5個最佳實施例。實施例一：(1)在單口燒瓶中加入0.1mol乙烯基咪唑，隨后加入0.05mol磷酸，常溫攪拌2小時候，升溫至50℃并攪拌過夜，得粘稠液體。(2)將上述液體體取出，放入瓷舟中，在管式爐中煅燒，以N2為保護氣，500℃煅燒兩小時后自然降溫，得黑色蓬松固體。(4)將上述固體研磨后，取5mg與100μLNafion溶液和900μL乙醇溶液混合后超聲震蕩30分鐘后制得催化劑漿液，取10μL漿液滴加到玻碳電極上，干燥2小時候進行電化學測試，主要有循環伏安、線性掃描等。實施例二：(1)在單口燒瓶中加入0.1mol丙烯基咪唑，隨后加入0.1mol磷酸，常溫攪拌2小時候，升溫至50℃并攪拌過夜，得粘稠液體。(2)將上述液體取出，放入瓷舟中，在管式爐中煅燒，以N2為保護氣，550℃煅燒兩小時后自然降溫，得黑色蓬松固體。(4)將上述固體研磨后，取5mg與100μLNafion溶液和900uL乙醇溶液混合后超聲震蕩30分鐘后制得催化劑漿液，取10μL漿液滴加到玻碳電極上，干燥2小時候進行電化學測試，主要有循環伏安、線性掃描等。實施例三：(1)在單口燒瓶中加入0.1mol1-丁烯基咪唑，隨后本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種N，P共摻非金屬氧還原催化劑的制備其特征在于：采用了陽離子含有可聚合官能團的乙烯基咪唑和丙烯基咪唑，陰離子為含磷的離子液體，這種離子液體在煅燒過程中可以實現N，P共摻，從而可以獲得含有磷和氮的碳材料，電化學測試表明這種產物具有比較高的氧還原催化劑性能。
【技術特征摘要】
1.一種N，P共摻非金屬氧還原催化劑的制備其特征在于：采用了陽離子含有可聚合官能團的乙烯基咪唑和丙烯基咪唑，陰離子為含磷的離子液體，這種離子液體在煅燒過程中可以實現N，P共摻，從而可以獲得含有磷和氮的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：高建，李成松，蘇昊文，
申請(專利權)人：天津工業大學，
類型：發明
國別省市：天津;12
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