1.技术领域
本发明涉及一种杂原子原位掺杂碳基催化剂的制备方法及其在燃料电池中的应用的技术领域，特别涉及一种无模板合成多孔结构催化剂和多杂原子掺杂的离子液体前驱体的合成方法及其作为燃料电池阴极催化剂的应用技术。
2.
背景技术：
燃料电池因具有高效率、零污染等优点，对解决目前面临的问题，实现能源的多样化意义重大，因此受到了研究者的广泛关注。氧还原(orr)是燃料电池重要的电极反应，由于其反应动力学缓慢，活化能高，需要使用pt基催化剂来促使氧还原反应的发生，已成为限制这类能源的重要因素。所以开发高效，廉价的催化剂是一个严峻的挑战，目前主要有两大类，一类是地壳中丰富的过渡金属(fe、co、ni等)；另一类是含杂原子n、b、s、p等的碳材料。从实际角度出发，解决的最优方案则是用非金属催化剂。
近年不含金属的杂原子掺杂的碳材料，由于其具有高的催化活性、长期的稳定性和廉价的原材料而被广泛关注。各种杂原子掺杂的碳材料如n掺杂的碳纳米管，n掺杂的石墨烯作为氧还原催化剂也有很高的催化活性。然而，现有杂原子掺杂的催化剂活性和稳定性有待进一步提高，随着绿色化学兴起而发展的离子液体中可以对杂原子进行原位掺杂且阴阳离子结构广泛可调，因而使的这类杂原子掺杂的离子液体制得的催化剂活性位点的密度更大。
本专利提出了一种简便的路线去合成利用杂原子原位掺杂而获得碳基氧还原催化剂，并用这种多种杂原子掺杂可以催化剂的催化活性。利用这种方法制得的样品具有比表面积大、活性位点暴露充分等特点，同时也开发了一种简单合成多孔结构催化剂的方法，获得了性能优良的非金属催化剂。
3
技术实现要素：
本发明目的在于开发一种杂原子原位掺杂的碳材料，应用于燃料电池阴极氧还原，该催化剂制备过程中形貌可控以及杂原子掺杂灵活多变，对催化活性的提高有很大的帮助。
本发明是通过如下技术方案实现的。
一种杂原子原位掺杂碳基催化剂的合成方法，包括以下步骤：
步骤1.含杂原子前驱体的合成；
步骤2.在惰性气氛下对上述合成的材料进行热解处理，获得催化材料；
步骤3.将上述催化材料研磨成粉末，制得样品。
而且，所述步骤1中前驱体中作为阳离子的物质为1-甲基咪唑、1-乙烯基咪唑、三聚氰胺、尿素、吡啶、聚乙烯吡咯烷酮等中的至少一种，作为阴离子的物质为硫酸、硝酸、磷酸、磷酸二甲酯、氟硼酸、硼酸、苯磺酸、对苯二甲酸、盐酸等中的一种或两种以上的混合物。
而且，所述步骤2中前驱体中热解温度为400～1100摄氏度。
本发明中合成的催化材料应用于阴极氧还原。
4附图说明
图1为实施例一中制备的催化剂在0.1mol饱和氮气koh溶液中的产氢测试结果。
5具体实施方式
以下给出本发明的4个最佳实施例。
实施例一：
(1)在单口烧瓶中加入0.1mol的1-甲基咪唑，随后缓慢滴加0.1mol的硫酸酸，常温搅拌1h，升温至50℃并搅拌4h，得粘稠状液体。
(2)取一部分上述粘稠状液体，在管式炉中以n2为保护气进行热解处理，先用1h从室温升至100摄氏度，随后以5℃/min升温至560℃煅烧一小时后自然冷却，得到黑色固体。
(3)将上述固体研磨后，取7.5mg与150μlnafion溶液和1350μl无水乙醇溶液混合后超声1h后配得催化剂浆液，取10μl浆液滴加到玻碳电极上，干燥3h后进行电化学测试，主要有循环伏安(cv)、线性扫描(lsv)、交流阻抗(eis)等。
(4)测试结束后，发现制备的催化剂还具有较好的产氢活性(见图1)。
实施例二：
(1)在单口烧瓶中加入1-甲基咪唑、1-乙烯基咪唑、三聚氰胺、尿素、吡啶、聚乙烯吡咯烷酮等中的至少一种，随后缓慢滴加等摩尔的硫酸，常温搅拌1h，升温至50℃并搅拌4h，得粘稠状液体。
(2)取一部分上述粘稠状液体，在管式炉中以n2为保护气进行热解处理，先用1h从室温升至100摄氏度，随后以5℃/min升温至560℃煅烧一小时后自然冷却，得到黑色固体。
(3)将上述固体研磨后，取7.5mg与150μlnafion溶液和1350μl无水乙醇溶液混合后超声1h后配得催化剂浆液，取10μl浆液滴加到玻碳电极上，干燥3h后进行电化学测试，主要有循环伏安(cv)、线性扫描(lsv)、交流阻抗(eis)等。
实施例三：
(1)在单口烧瓶中加入1-乙烯基咪唑，随后缓慢滴加等摩尔的磷酸二甲酯、氟硼酸、苯磺酸、对苯二甲酸等中的一种或两种以上的混合物，常温搅拌1h，升温至50℃并搅拌4h，得粘稠状液体。
(2)取一部分上述粘稠状液体，在管式炉中以n2为保护气进行热解处理，先用1h从室温升至100摄氏度，随后以5℃/min升温至560℃煅烧一小时后自然冷却，得到黑色固体。
(3)将上述固体研磨后，取7.5mg与150μlnafion溶液和1350μl无水乙醇溶液混合后超声1h后配得催化剂浆液，取10μl浆液滴加到玻碳电极上，干燥3h后进行电化学测试，主要有循环伏安(cv)、线性扫描(lsv)、交流阻抗(eis)等。
实施例四：
(1)在单口烧瓶中加入1-乙烯基咪唑，随后缓慢滴加等摩尔的硫酸、硝酸、磷酸、硼酸、盐酸等中的一种或两种以上的混合物，常温搅拌1h，升温至50℃并搅拌4h，得粘稠状液体。
(2)取一部分上述粘稠状液体，在管式炉中以n2为保护气进行热解处理，先用1h从室温升至100摄氏度，随后以5℃/min升温至560℃煅烧一小时后自然冷却，得到黑色固体。
(3)将上述固体研磨后，取7.5mg与150μlnafion溶液和1350μl无水乙醇溶液混合后超声1h后配得催化剂浆液，取10μl浆液滴加到玻碳电极上，干燥3h后进行电化学测试，主要有循环伏安(cv)、线性扫描(lsv)、交流阻抗(eis)等。