一種摻氮多孔碳納米片的制備以及作為氧還原反應非金屬催化劑的應用。
2.
背景技術：
氮摻雜多孔炭材料，不僅具有多孔炭材料的較高的比表面積、豐富的孔結構、良好的穩定性及耐高溫耐酸堿性等優點，同時氮原子的引入使材料表現出優異的導電性能及電子傳輸能力使得炭材料具有了一定的堿性及催化性能，是目前多相催化及材料領域的一個研究熱點。(Yang Yong，Wang Yan，Lan Guojun，Li Jian，Li Ying Institute of Industrial Catalysis，Zhej iang University of Technology，Hangzhou 310014)，金屬-空氣電池以及燃料電池被認為是一種具有較有潛力的替代電源。對于這兩種電池，氧還原反應是一種重要的電極反應。在電池反應中都起到關鍵作用，但其反應難度較大，為克服降低反應活化能，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，以保證電池順利工作。由于這類貴金屬價格昂貴，儲量稀少，導致這類電源成本較高，成為這類電源技術廣泛應用的一大障礙。到目前為止，鉑基催化劑仍然是催化氧還原反應中性能最好的催化劑。然而，鉑價格昂貴，儲量稀少，大量的使用鉑基催化劑已經嚴重的影響了燃料電池的商業化，催化劑技術已經成為了燃料電池技術進一步發展的瓶頸。因此，發展低鉑或非鉑催化劑，是燃料電池可持續發展的必由之路。本發明表明，摻雜的碳基催化劑，特別是氮和(或)過渡金屬摻雜的碳基催化劑具有優異的氧還原催化活性和高的穩定性。(Zhichao Tao～(1，2)Yong Yang～1 Chenghua Zhang～1 Tingzhen Li～(1，2)Mingyue Ding～(1，2)Hongwei Xiang～1 Yongwang Li～1 1.State Key Laboratory of Coal Conversion，Institute of Coal Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Taiyuan 030001，Shanxi，China 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China.Study of Manganese Promoter on a Precipitated Iron-Based Catalyst for Fischer-Tropsch Synthesis[J].Journal of Natural Gas Chemistry.2007(03))。
自上世紀60年代開始研究非貴金屬催化劑以來(Jasinski.A new fuel cell cathode catalyst.Nature 1964，201，1212)，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。這類催化劑的性能受到多種因素影響，其中催化劑前驅體、催化劑的微觀結構等是影響催化劑性能的重要因素。
摻氮石墨烯在新能源材料領域的最新應用，特別是作為鋰離子電池、鋰空電池電極、超級電容器以及燃料電池氧還原催化劑等關鍵材料的應用。(Chen Xu He Daping Mu Shichun(State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)，但是這些碳材料不易制備，因此價格比較昂貴，開發出一種廉價易得且性能客觀的碳材料作為氧還原的催化劑顯得尤為重要。
離子液體作為一種新型的催化劑前驅體受到了廣泛關注，聚離子液體是一類重要的離子液體，由于結合了離子液體和聚合物的優勢，最近也被作為一種催化劑前驅體進行研究(Gao，Jian Ma，Na，Zhai，Junfeng，Li，Tianyan，Qin，Wei，Zhang，Tingting Yin，Zhen，Polymerizable Ionic Liquid as Nitrogen-Doping Precursor for Co-N-C Catalyst with Enhanced Oxygen Reduction Activity，Ind.Eng.Chem.Res，2015，54，7984)。不過已有的研究中聚離子液體基本用作含金屬的催化劑。
本專利目的是提出一種功能化的聚離子液體的制備，并作為前驅體制備具有卷曲結構的非金屬摻氮炭納米片。測試明，這種方法制得的樣品具有卷曲的微觀形貌，不但其比表面得到提高，還具有較好的催化活性。不僅如此，實驗還表明此催化劑還具有產氧的催化劑能力，使之成為一種可以催化氧還原和產氧兩種反應的雙功能催化劑。
3
技術實現要素：
本發明目的在于開發一種低成本、環境友好的碳材料，以用作非金屬催化劑前驅體。
本發明通過以下方式實現。
一種造孔功能化的聚離子液體，它包括以下步驟：
步驟1.將烯基咪唑與某種酸反應，該酸可以只硝酸、硫酸、碳酸等具有加
熱時產生氣體的性質，制備聚離子液體單體；
步驟2.將上述固體在400～1200℃環境中、惰性氣體保護下進行煅燒1～5h，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為本專利的循環伏安圖可見其起實電位可以達到VRHE，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
以下給出本發明的4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0.1mol硝酸，常溫攪拌2小時候，升溫至50℃繼續攪拌2h，得粘稠液體。
(2)在單口燒瓶中加入25m mol的硝酸鈷和25m mol的2-甲基咪唑，隨后加入15ml的甲醇溶液，二者混合均勻后室溫下反應24h。
(3)將上述(1)液體與(2)固體取出，放入瓷舟中，將另一瓷舟蓋在盛有樣品的瓷舟上，在管式爐中煅燒，以N2為保護氣，500℃煅燒一個小時后自然降溫，得黑色蓬松固體。
(4)將上述固體研磨后，取25mg與50μL Nafion溶液和450μL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1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乙烯基咪唑，隨后加入0.1mol硝酸，常溫攪拌2小時候，升溫至50℃繼續攪拌2h，得粘稠液體。
(2)在單口燒瓶中加入25m mol的硝酸鈷和25m mol的2-甲基咪唑，隨后加入15ml的甲醇溶液，二者混合均勻后室溫下反應24h。
(3)將上述(1)液體與(2)固體取出，放入瓷舟中，將另一瓷舟蓋在盛有樣品的瓷舟上，在管式爐中煅燒，以N2為保護氣，900℃煅燒一個小時后自然降溫，得黑色蓬松固體。
(4)將上述固體研磨后，取25mg與50μL Nafion溶液和450μL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1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0.1mol乙烯基咪唑，隨后加入0.1mol硫酸，常溫攪拌2小時候，升溫至50℃繼續攪拌2h，得粘稠液體。
(2)在單口燒瓶中加入25m mol的硝酸鈷和25m mol的2-甲基咪唑，隨后加入15ml的甲醇溶液，二者混合均勻后室溫磁力攪拌下反應24h。
(3)將上述(1)液體與(2)固體取出，放入瓷舟中，將另一瓷舟蓋在盛有樣品的瓷舟上，在管式爐中煅燒，以N2為保護氣，500℃煅燒一個小時后自然降溫，得黑色蓬松固體。
(4)將上述固體研磨后，取25mg與50μL Nafion溶液和450μL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1小時候進行電化學測試，主要有循環伏安、線性掃描等。
實施例四：
(1)在單口燒瓶中加入0.1mol乙烯基咪唑，隨后加入0.1mol硫酸，常溫攪拌2小時候，升溫至50℃繼續攪拌2h，得粘稠液體。
(2)在單口燒瓶中加入25m mol的硝酸鈷和25m mol的2-甲基咪唑，隨后加入15ml的甲醇溶液，二者混合均勻后室溫磁力攪拌下反應24h。
(3)將上述(1)液體與(2)固體取出，放入瓷舟中，將另一瓷舟蓋在盛有樣品的瓷舟上，在管式爐中煅燒，以N2為保護氣，900℃煅燒一個小時后自然降溫，得黑色蓬松固體。
(4)將上述固體研磨后，取25mg與50μL Nafion溶液和450μL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1小時候進行電化學測試，主要有循環伏安、線性掃描等。