ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种ZIF‑8@FeMOF衍生的Fe‑N共掺杂碳材料及其制备方法和应用，该制备方法包括：1)在溶剂中，将FeMOF、锌源、2‑甲基咪唑、表面活性剂进行接触反应以制得ZIF‑8@FeMOF；2)将ZIF‑8@FeMOF进行煅烧以制得ZIF‑8@FeMOF衍生的Fe‑N共掺杂碳材料；其中，FeMOF为Fe

【技术实现步骤摘要】
ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及掺杂材料，具体地，涉及一种ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着能源资源的消耗与环境污染问题的加剧。燃料电池作为能量的转化和储存装置成为当今研究热点。金属有机骨架材料(Metal-organicframeworks，MOFs)是一种由金属离子和有机配体通过配位键组装的无机-有机杂化功能材料，其具有大的比表面积、孔隙率、结构多样等特点，在气体储存、液相分离以及催化等领域具有很好的发展前景。沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)是金属有机骨架材料的一个分支，具有较高的化学和热学稳定性。ZIF-8是由Zn2+与配体2-甲基咪唑反应得到的一种沸石咪唑酯骨架材料。金属-有机骨架材料是由无机金属和有机配体所组成的具有网状结构的化合物，它同时包含由配位键连接的无机和有机两个部分。通过改变金属离子中心、设计合成配体分子及合成后改性的方法，可制备出多种具有不同拓扑结构和不同特性的MOFs材料、铁基MOFs材料。单独的FeMOF在高温下不能完整的保存其形貌。该系列材料是由铁与含有铁基的有机配体(对苯二甲酸、2-氨基对苯二甲酸)等配位所形成，主要包MIL-53(Fe)、MIL-l00Fe)、MIL-101(Fe)、MIL-88(Fe)、MIL-68(Fe)等。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料及其制备方法和应用，该ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料具有疏松多孔的结构和多活性位点，其能够高效地催化燃料电池阴极氧还原反应；同时，该制备方法具有绿色、清洁、高效、简单成本低廉等优点。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料的制备方法，包括：1)在溶剂中，将FeMOF、锌源、2-甲基咪唑、表面活性剂进行接触反应以制得ZIF-8@FeMOF；2)将ZIF-8@FeMOF进行煅烧以制得ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料；其中，FeMOF为Fe3+与有机配体所组成的具有网状结构的金属-有机骨架材料；ZIF-8由Zn2+与2-甲基咪唑反应得到的沸石咪唑酯骨架材料。本专利技术还提供了一种ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料，该ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料通过上述的制备方法制备而得。本专利技术进一步提供了一种上述的ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料在氧还原催化反应中的应用。在上述技术方案中，本专利技术通过以ZIF-8提供氮源、FeMOF提供铁源——提供活性位点，合成一种含铁-氮-碳的Fe-N复合材料的前驱体，经高温煅烧制得ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料；该复合材料因其较大的比表面积和其掺杂的铁及氮元素促使其在氧还原催化反应中表现出优异的催化性能；将其应用于燃料电池阴极催化剂表现出具有相对于各自单独存在时更好的电化学催化活性。其次，相比较Pt和Pt基催化剂，其催化性能相当，但是ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料的稳定性、甲醇耐受性都较Pt和Pt基催化剂要好，同时成本更便宜，因此其具有更广泛的应用前景。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是B1的扫描电镜的表征结果图；图2是C2的扫描电镜的表征结果图；图3是C1的扫描电镜的表征结果图；图4是C3的扫描电镜的表征结果图；图5是B1的透射电镜的表征结果图；图6是B1的XPS的表征结果图；图7是B1的CV测试结果图；图8是B1、C2、C3、20％Pt/C的LSV测试结果图；图9是B1、20％Pt/C的计时电流(i-t)测试结果图。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术提供了一种ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料的制备方法，包括：1)在溶剂中，将FeMOF、锌源、2-甲基咪唑、表面活性剂进行接触反应以制得ZIF-8@FeMOF；2)将ZIF-8@FeMOF进行煅烧以制得ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料；其中，FeMOF为Fe3+与有机配体所组成的具有网状结构的金属-有机骨架材料；ZIF-8由Zn2+与2-甲基咪唑反应得到的沸石咪唑酯骨架材料。在本专利技术的步骤1)中，各物料的用量可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的Fe-N共掺杂碳材料的产率以及催化性能，优选地，在步骤1)中，FeMOF、锌源、2-甲基咪唑、表面活性剂的用量比为10mg：1-4mmol：7-16mmol：0.01-0.05mmol。在本专利技术的步骤1)中，溶剂的用量可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的Fe-N共掺杂碳材料的产率，优选地，FeMOF、溶剂的用量比为10mg：50-100mL。在本专利技术的步骤1)中，接触反应的条件可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的Fe-N共掺杂碳材料的产率以及催化性能，优选地，在步骤1)中，接触反应满足以下条件：反应温度为20-30℃，反应时间为3-5h。在本专利技术的步骤1)中，添料顺序可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的Fe-N共掺杂碳材料的产率以及催化性能，优选地，步骤1)的添料顺序为：先将锌源分散于溶剂中形成混合物一，将2-甲基咪唑、表面活性剂分散于溶剂中形成混合物二；然后将混合物一、混合物二、FeMOF进行混合。在本专利技术的步骤1)中，锌源的具体种类可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的Fe-N共掺杂碳材料的产率以及催化性能，优选地，在步骤1)中，锌源选自六水合硝酸锌、硫酸锌、氯化锌中的至少一者。在本专利技术的步骤1)中，表面活性剂的具体种类可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的Fe-N共掺杂碳材料的产率以及催化性能，优选地，表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵CTAB、聚乙烯吡咯烷酮PVP、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的至少一者。在本专利技术的步骤1)中，溶剂的具体种类可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的Fe-N共掺杂碳材料的产率以及催化性能，优选地，溶剂选自无水甲醇、二次蒸馏水、N,N-二甲基甲酰胺DMF中的至少一者。在本专利技术的步骤2)中，煅烧的具体条件可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的Fe-N共掺杂碳材料的催化性能，优选地，在步骤2)中，煅烧满足以下条件：在惰性气体中，自20-35℃以3-5℃/min的速率升温至800-1000℃并保温1-3h，接着以5-10℃/min的速率降温至20-40℃。在上述实施方式中，惰性气体的具体种类可以在宽的范围内选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ZIF‑8@FeMOF衍生的Fe‑N共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括：1)在溶剂中，将FeMOF、锌源、2‑甲基咪唑、表面活性剂进行接触反应以制得ZIF‑8@FeMOF；2)将所述ZIF‑8@FeMOF进行煅烧以制得所述ZIF‑8@FeMOF衍生的Fe‑N共掺杂碳材料；其中，所述FeMOF为Fe3+与有机配体所组成的具有网状结构的金属‑有机骨架材料；所述ZIF‑8由Zn2+与2‑甲基咪唑反应得到的沸石咪唑酯骨架材料。

【技术特征摘要】
1.一种ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括：1)在溶剂中，将FeMOF、锌源、2-甲基咪唑、表面活性剂进行接触反应以制得ZIF-8@FeMOF；2)将所述ZIF-8@FeMOF进行煅烧以制得所述ZIF-8@FeMOF衍生的Fe-N共掺杂碳材料；其中，所述FeMOF为Fe3+与有机配体所组成的具有网状结构的金属-有机骨架材料；所述ZIF-8由Zn2+与2-甲基咪唑反应得到的沸石咪唑酯骨架材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤1)中，所述FeMOF、锌源、2-甲基咪唑、表面活性剂的用量比为10mg：1-4mmol：7-16mmol：0.01-0.05mmol；优选地，所述FeMOF、溶剂的用量比为10mg：50-100mL。3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤1)中，所述接触反应满足以下条件：反应温度为20-30℃，反应时间为3-5h；优选地，步骤1)的添料顺序为：先将锌源分散于溶剂中形成混合物一，将2-甲基咪唑、表面活性剂分散于溶剂中形成混合物二；然后将所述混合物一、混合物二、FeMOF进行混合。4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤1)中，所述锌源选自六水合硝酸锌、硫酸锌、氯化锌中的至少一者；优选地，所述表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵CTAB、聚乙烯吡咯烷酮PVP、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的至少一者；更优选地，所述溶剂选自无水甲醇、二次蒸馏水、N,N-二甲基甲酰胺DMF中的至少一者。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：王银玲，王娟，张友良，李雪，范明丽，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34