一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维制造技术

本发明专利技术涉及电化学催化技术领域，尤其涉及一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维。MOFs在碳化过程中易引起结构坍塌，导致活性粒子团聚严重，限制了催化剂电催化性能的充分发挥。基于上述问题，本发明专利技术提供一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维，其采用MOFs材料与高分子聚合物静电纺丝纤维的双重限域作用封装过渡金属和杂原子，降低纳米粒子之间的团聚现象，改善金属纳米粒子在催化剂材料中的分布情况，充分发挥所获复合催化剂的电催化性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维


[0001]本专利技术涉及电化学催化
，尤其涉及一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维。

技术介绍

[0002]氧还原和氧析出反应(ORR/OER)是众多新能源转换与存储装置(燃料电池、金属
‑
空气电池和电解水装置)的核心反应。然而，这两类反应动力学缓慢，需在催化下才能高效进行。
[0003]ORR/OER双功能催化剂主要包括：贵金属催化剂、过渡金属催化剂、碳材料催化剂及其复合材料催化剂。贵金属催化剂成本高、稳定性差难以实现大规模商业化应用。过渡金属催化剂受限于差的导电性，往往需要结合电子供体(金属纳米粒子)或导电材料(碳或金属支撑材料)。另外，杂原子(N、P、S)掺杂的碳材料因其高导电性、多孔结构、高热稳定性和化学稳定性等优势而受到广泛关注。过渡金属催化剂与碳材料复合，开发新型高效电催化剂已成为研究的热点。
[0004]然而，将过渡金属催化剂与杂原子掺杂碳材料结合，通过简便的工艺制备具有多孔结构和高活性组分的ORR/OER双功能催化剂仍存在挑战。由于无法实现对前驱体组成、结构和尺寸的精准调控，易导致催化活性位点暴露不足且不均匀，而金属
‑
有机框架聚合物(MOFs)以形貌、组成、结构可调的特性被证明是一种制备过渡金属/杂原子掺杂多孔碳材料复合催化剂的新型前驱体。但是MOFs在碳化过程中易引起结构坍塌，导致活性粒子团聚严重，限制了催化剂电催化性能的充分发挥。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术要解决的技术问题是：MOFs在碳化过程中易引起结构坍塌，导致活性粒子团聚严重，限制了催化剂电催化性能的充分发挥。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维，按照以下步骤制备：
[0007](1)采用MOFs材料孔限域封装杂多酸(POM)，得到POM@MOFs复合纳米粒子；
[0008](2)利用静电纺丝技术，实现POM@MOFs复合纳米粒子在聚合物纳米纤维内部负载，得到POM@MOFs/聚合物纳米纤维前驱体；
[0009](3)控制碳化方式，对POM@MOFs/聚合物纳米纤维前驱体实现过渡金属、杂原子原位掺杂，即得到杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维。
[0010]具体地，所述MOFs材料为ZIF
‑
8或ZIF
‑
67。
[0011]具体地，所述POM为H3PMo
12
O
40
、H3PW
12
O
40
及其混合物。
[0012]具体地，所述聚合物为PAN、PVA、PVP或PS。
[0013]具体地，所述步骤(1)具体按照以下步骤进行：
[0014]以小分子有机配体、可溶性金属盐、杂多酸为初始原料，采用溶剂热法实现POM在
MOFs孔中限域封装，制备POM@MOFs复合纳米粒子。
[0015]具体地，所述步骤(2)具体按照以下步骤进行：
[0016]以高分子聚合物、POM@MOFs复合纳米粒子、有机溶剂为初始原料，通过同轴静电纺丝技术，获得POM@MOFs/聚合物复合纳米纤维前驱体。
[0017]具体地，所述静电纺丝技术的工艺参数为：静电纺丝电压15
‑
20KV；接收距离15
‑
20cm；推进速率0.5ml/h，纺丝针头直径为0.6mm。
[0018]具体地，所述步骤(3)具体按照以下步骤进行：
[0019]将POM@MOFs/聚合物纳米纤维前驱体置于真空管式炉中，先在空气中低温预氧化处理，然后在Ar气保护下，升至目标碳化温度800℃，引入活性气氛(H2、H2O或H2S)，保温2h，实现同步高温碳化和原位物相转化，得到杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维。
[0020]具体地，所述低温预氧化处理是在空气气氛中以2℃/min速率升温至280℃/min并保温2h。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]本专利技术提供一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维，其采用MOFs材料与高分子聚合物静电纺丝纤维的双重限域作用封装过渡金属和杂原子，降低纳米粒子之间的团聚现象，改善金属纳米粒子在催化剂材料中的分布情况，同时提供了高导电性电子传输通道，可充分发挥所获复合催化剂的电催化性能。
附图说明
[0023]图1：实施例1所获POM@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维的ORR电催化性能。
[0024]图2：实施例1所获POM@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维的OER电催化性能。
具体实施方式
[0025]现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。
[0026]本专利技术以下实施例中的低温预氧化处理是在空气气氛中以2℃/min速率升温至280℃/min并保温2h。
[0027]实施例1
[0028](1)首先制备H3PW
12
O
40
@ZIF
‑
8复合纳米粒子
[0029]将1.125g Zn(NO3)
2 6H2O硝酸锌溶解在100mL去离子水中，然后向其中加入1.113g H3PW
12
O
40
，待其分散均匀后，向溶液中加入13.75g 2
‑
甲基咪唑，室温下搅拌反应24h，离心并用去离子水冲洗三遍，即得到H3PW
12
O
40
@ZIF
‑
8复合纳米粒子，将其放入真空干燥箱中烘干备用；
[0030](2)接着制备H3PW
12
O
40
@ZIF
‑
8/PAN静电纺丝纳米纤维前驱体
[0031]将0.5g的PAN和0.5g H3PW
12
O
40
@ZIF
‑
8复合纳米粒子同时加入到4.5g DMF溶液中，搅拌形成均一的溶液；然后利用高压静电纺丝机设置静电纺丝参数电压20KV，接收距离20cm，推进速率0.5ml/h，纺丝针头直径为0.6mm，纺丝形成H3PW
12
O
40
@ZIF
‑
8/PAN静电纺丝纳米纤维前驱体；
[0032](3)最后对获得的H3PW
12
O
40
@ZIF
‑
8/PAN静电纺丝纳米纤维前驱体进行高温碳化和原位物相转化
[0033]将步骤(2)获得的H3PW
12
O
40
@ZIF
‑
8/PAN静电纺丝纳米纤维前驱体置于真空管式炉中，先在空气中低温预氧化处理，然后以升温速率是10℃/min，在Ar气体的保护下，升至800℃时，通入活本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维，其特征在于，按照以下步骤制备：(1)采用MOFs材料孔限域封装POM，得到POM@MOFs复合纳米粒子；(2)利用静电纺丝技术，实现POM@MOFs复合纳米粒子在聚合物纳米纤维内部负载，得到POM@MOFs/聚合物纳米纤维前驱体；(3)控制碳化方式，对POM@MOFs/聚合物纳米纤维前驱体实现过渡金属、杂原子原位掺杂，即得到杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维。2.根据权利要求1所述的一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维，其特征在于，所述MOFs材料为ZIF
‑
8或ZIF
‑
67。3.根据权利要求1所述的一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维，其特征在于，所述POM为H3PMo
12
O
40
、H3PW
12
O
40
及其混合物。4.根据权利要求1所述的一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维，其特征在于，所述聚合物为PAN、PVA、PVP或PS。5.根据权利要求1所述的一种杂多酸@MOFs/聚合物静电纺丝纳米纤维，其特征在于，所述步骤(1)具体按照以下步骤进行：以小分子有机配体、可溶性金属盐、杂多酸为初始原料，采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛其建，王涛，陆宇豪，王雪婧，王承建，董秀秀，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：