本發(fā)明是關(guān)于催化技術(shù)，特別是關(guān)于一種可控?fù)诫s碳材料、制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、近年來，碳材料負(fù)載過渡金屬催化劑在能源催化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，這主要得益于碳材料較高的比表面積，良好的導(dǎo)電性和易調(diào)的缺陷位，可充分地分散和錨定金屬原子，最大限度提高催化劑分散度和金屬利用率，降低催化劑成本。納米尺度的碳材料表面和邊緣的配位不飽和碳原子存在明顯局域化的電子，這些拓?fù)淙毕?點(diǎn)缺陷位)和邊緣碳原子(線缺陷位)容易與其他雜原子(o、n、s等)成鍵，從而構(gòu)成了新的局域電子環(huán)境。利用雜原子摻雜的方法調(diào)控碳材料載體是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，在雜原子摻雜后的碳材料表面，引入配位型過渡金屬，可構(gòu)筑原子級(jí)分散的金屬催化材料，雜原子的存在實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬原子更強(qiáng)的錨定作用，同時(shí)利用雜原子與金屬間的相互作用，有效地調(diào)控活性中心金屬的電子結(jié)構(gòu)從而提高其催化性能。

2、現(xiàn)有的摻雜碳材料合成技術(shù)可大致分為兩類：一類是在前驅(qū)物中就將碳源與雜原子前驅(qū)鹽共混后再進(jìn)行熱處理；而另一類是在已經(jīng)合成好的碳材料上利用后處理工藝進(jìn)行摻雜。得到的碳材料表面同時(shí)存在多種類型的缺陷位和雜原子，并且摻雜的空間位置也是完全無序且不可控的。以其作為載體通常會(huì)制備出形貌、尺寸、配位環(huán)境不一的金屬納米顆粒、亞納米簇以及單原子等多種活性位共存的催化材料，這就為該體系構(gòu)效關(guān)系的建立和催化活性中心的鑒定增加了困難。

3、公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對(duì)本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種可控?fù)诫s碳材料、制備方法及應(yīng)用，優(yōu)化碳材料摻雜技術(shù)，通過實(shí)現(xiàn)了可以自由設(shè)計(jì)和制備結(jié)構(gòu)均勻可控的雜原子摻雜碳材料，有效地實(shí)現(xiàn)了催化產(chǎn)品性能的高質(zhì)量和高催化活性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例提供了可控n離子摻雜碳催化材料，包括碳基底，其原材料選自hopg、碳布、碳紙、碳纖維；且碳基底是以n元素?fù)诫s的：摻雜深度為近表面1-1000nm、原子摻雜量不大于30at％：摻雜為離子注入摻雜。

3、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，離子注入摻雜的條件為：氮?dú)鈮毫?bar，電壓20-50萬伏特，摻雜時(shí)間20秒-8小時(shí)。優(yōu)選的，樣品外表面與負(fù)極材料之間的距離約為5-15mm。

4、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，摻雜后的碳基底其表面還形成有貴金屬部。

5、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，貴金屬部為采用電沉積或者物理氣象沉積生長(zhǎng)得到。優(yōu)選的，采用lsv沉積方式沉積5次-100次：?jiǎn)未纬练e條件為0.1v至-0.4v，掃描速率0.005v/s，時(shí)間10–60s。

6、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，貴金屬部的原料選自：鉑、金、銀。

7、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，碳基底在形成貴金屬部前還經(jīng)過至少一次預(yù)處理的，每次預(yù)處理至少包括ar離子刻蝕，其條件為氬氣壓力5×10-7mbar至5×10-6mbar，0.2kv至1.5kv，處理時(shí)間10至600s。

8、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，每次預(yù)處理還包括真空退火，其條件為在超高真空條件下600k至1400k退火。優(yōu)選的，超高真空條件至少滿足：真空度不高于10-9mbar。優(yōu)選的，退火時(shí)間為10-30min。

9、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，可控n離子摻雜碳催化材料的制備方法，在真空互聯(lián)環(huán)境下至少實(shí)施如下：(1)準(zhǔn)備碳基底材料；(2)在氮?dú)夥諊聦?duì)碳基底材料完成n元素注入。

10、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，真還包括在完成n注入的碳基底材料生長(zhǎng)貴金屬部。

11、在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，如前述的可控n離子摻雜碳催化材料在能源催化領(lǐng)域應(yīng)用。優(yōu)選的，尤其在堿性her技術(shù)中的應(yīng)用。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的可控?fù)诫s碳材料、制備方法及應(yīng)用，優(yōu)化碳材料摻雜技術(shù)，通過實(shí)現(xiàn)了可以自由設(shè)計(jì)和制備結(jié)構(gòu)均勻可控的雜原子摻雜碳材料，有效地實(shí)現(xiàn)了催化產(chǎn)品性能的高質(zhì)量和高催化活性。

技術(shù)特征：

1.一種可控n離子摻雜碳催化材料，包括

2.如權(quán)利要求1所述的可控n離子摻雜碳催化材料，其特征在于，所述離子注入摻雜的條件為：氮?dú)鈮毫?bar，電壓20-50萬伏特，摻雜時(shí)間20秒-8小時(shí)。

3.如權(quán)利要求1或2所述的可控n離子摻雜碳催化材料，其特征在于，摻雜后的所述碳基底其表面還形成有貴金屬部。

4.如權(quán)利要求3所述的可控n離子摻雜碳催化材料，其特征在于，所述貴金屬部為采用電沉積或者物理氣象沉積生長(zhǎng)得到。

5.如權(quán)利要求3所述的可控n離子摻雜碳催化材料，其特征在于，所述貴金屬部的原料選自：鉑、金、銀。

6.如權(quán)利要求3所述的可控n離子摻雜碳催化材料，其特征在于，所述碳基底在形成貴金屬部前還經(jīng)過至少一次預(yù)處理的，每次所述預(yù)處理至少包括ar離子刻蝕，其條件為氬氣壓力5×10-7mbar-5×10-6mbar，0.2-1.5kv，處理時(shí)間10-600s。

7.如權(quán)利要求6所述的可控n離子摻雜碳催化材料，其特征在于，每次所述預(yù)處理還包括真空退火，其條件為在超高真空條件下600k至850k退火。

8.如權(quán)利要求1-8任一所述的可控n離子摻雜碳催化材料的制備方法，在真空互聯(lián)環(huán)境下至少實(shí)施如下：

9.如權(quán)利要求8所述的可控?fù)诫s碳材料的制備方法，其特征在于，還包括在完成n注入的碳基底材料生長(zhǎng)貴金屬部。

10.如權(quán)利要求1-8任一所述的可控n離子摻雜碳催化材料在能源催化領(lǐng)域應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了可控?fù)诫s碳材料、制備方法及應(yīng)用，其中催化材料，包括碳基底，其原材料選自HOPG、碳布、碳紙、碳纖維；且碳基底是以N元素?fù)诫s的：摻雜深度為近表面1?1000nm、原子摻雜量不大于30at％：摻雜為離子注入摻雜。本發(fā)明方案優(yōu)化碳材料摻雜技術(shù)，通過實(shí)現(xiàn)了可以自由設(shè)計(jì)和制備結(jié)構(gòu)均勻可控的雜原子摻雜碳材料，有效地實(shí)現(xiàn)了催化產(chǎn)品性能的高質(zhì)量和高催化活性。

技術(shù)研發(fā)人員：翁雪霏,郭普,王鵬棟,崔義
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26