目前，化石燃料仍然為我們最主流的能源，其傳統(tǒng)的能源利用方式，存在效率低和污染大兩大弊病。這些弊病對全球生態(tài)、環(huán)境產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。為了適應(yīng)新時期的發(fā)展需求，時代迫切需要新型的能源和新的能源利用方式。氫能作為一種理想的清潔能源，近年來得到全球的廣泛關(guān)注。氫氧燃料電池可以通過電化學(xué)反應(yīng)，直接將氫能轉(zhuǎn)化為電能，其產(chǎn)物只有水；它不受卡諾循環(huán)的制約，具有能量轉(zhuǎn)換效率高和對環(huán)境的零污染的優(yōu)勢。這些優(yōu)點使氫能源和燃料電池技術(shù)成為了新能源和新能源技術(shù)中的佼佼者。燃料電池技術(shù)雖然近些年取得了長足的進(jìn)步，并開始逐漸商業(yè)化。但是，目前商業(yè)的燃料電池催化劑含有大量的貴金屬鉑，鉑資源稀缺、價格昂貴，這些缺點將阻礙燃料電池進(jìn)一步可持續(xù)的發(fā)展。因此，制備高活性的低鉑或非鉑催化劑，對于降低燃料電池成本，實現(xiàn)燃料電池大規(guī)模的商業(yè)化有重大意義。雜原子和過渡金屬共摻雜的碳材料，由于雜原子和過渡金屬之間的協(xié)同效應(yīng)，使該類材料具有很好的氧還原（ORR）/氧析出（OER）性能，成為商業(yè)鉑基催化劑最有潛力的替代者。該類非貴金屬催化劑已經(jīng)成為目前燃料電池催化劑領(lǐng)域的研究熱點。

本發(fā)明的目的是提供一種氮、氟和過渡金屬共摻雜石墨烯結(jié)構(gòu)碳材料一步碳化法制備的方法。以低廉的成本將氮、氟和過渡金屬引入碳材料，并使該材料在形貌上呈現(xiàn)出石墨烯或類石墨烯的結(jié)構(gòu)；在電催化性能上，該碳材料具有優(yōu)異的氧還原/氧析出功能，是一種優(yōu)異的雙功能催化劑。在燃料電池、金屬-空氣電池電極材料領(lǐng)域和功能碳材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明的基本原理是氮、氟摻雜碳材料可以調(diào)整碳材料表面的電荷分布，氮、氟的強電負(fù)性可以導(dǎo)致相鄰碳原子的極化，從而使相鄰的碳原子上呈現(xiàn)出大量的正電荷；氧氣（O2）分子含有孤對電子，該孤對電子容易被帶正電荷的碳吸引，這樣有利于O2在該碳材料上吸附，同時，起到弱化O=O鍵的作用，有利于氧氧鍵的斷裂，使氧氣容易發(fā)生還原反應(yīng)。此外，過渡金屬有大量d空軌道，這些空軌道可以調(diào)控碳材料中的電子云，同樣也能有效的增強氧氣的吸附和其還原能力。氧氣的還原和析出是可逆過程，因此，雜原子和過渡金屬之間的協(xié)同作用，能夠有效的增強催化劑的ORR和OER性能。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種氮、氟和過渡金屬共摻雜石墨烯結(jié)構(gòu)的碳材料，以三聚氰胺、聚四氟乙烯、金屬鹽為原料，經(jīng)混合、研磨均勻后，采用一步碳化法制備獲得氮、氟和過渡金屬共摻雜碳材料；碳材料呈現(xiàn)石墨烯或類石墨烯結(jié)構(gòu)；氮、氟和金屬元素分布均勻；過渡金屬為鈦、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋯、鉬，釕元素的一種或多種。

一種氮、氟和過渡金屬共摻雜石墨烯結(jié)構(gòu)的碳材料的一步碳化制備方法，包括以下步驟：

步驟1，原料的混合，按三聚氰胺粉末、聚四氟乙烯粉末和金屬鹽中金屬的質(zhì)量比滿足1:(0.25-4.0):(0.00001-0.2)稱量，將金屬鹽配置成一定濃度的金屬鹽溶液，將三聚氰胺粉末和聚四氟乙烯粉末加入金屬鹽溶液進(jìn)行混合，經(jīng)手動研磨或機械球磨0.5-2.0小時，磨干后得到混合均勻的粉末樣品；

步驟2，一步碳化法，將步驟1所得粉末樣品，在惰性氣氛下，以升溫速度為3-10℃/分鐘，從室溫開始升溫至600℃-1200℃之間，再保溫碳化0.5-3小時，經(jīng)過一步碳化，即可獲得氮、氟和過渡金屬共摻雜的碳材料。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具備以下優(yōu)點：

1）本發(fā)明設(shè)計工藝過程簡單，易于操作，易于產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)；

2）本發(fā)明所用工業(yè)聚四氟乙烯粉末、三聚氰胺原料和普通的過渡金屬鹽，原料易得，價格低廉；

3）本發(fā)明作為燃料電池陰極催化劑使用時，其氧還原性能明顯高于商業(yè)鉑碳催化劑和有關(guān)報道過的類似的相關(guān)催化劑；

4）本發(fā)明作為金屬-空氣電池催化劑使用時，其氧析出性能明顯優(yōu)于商業(yè)鉑碳催化劑。