一种铁氮双掺杂的碳纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铁氮双掺杂的碳纳米复合材料及其制备方法，属于纳米复合材料制备技术领域。解决现有技术中采用MOFs为前驱体制备基于M/N/C的ORR催化剂时易导致结构坍塌而影响其催化性能的技术问题。本发明专利技术所述制备方法包括如下步骤：(1)制备含铁的金属有机框架材料Fe

An iron nitrogen double doped carbon nanocomposite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种铁氮双掺杂的碳纳米复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于纳米复合材料制备
，具体涉及一种铁氮双掺杂的碳纳米复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]为了加速可持续能源技术的广泛应用，研究者专注于燃料电池和金属空气电池等能源转化技术的开发和利用。但燃料电池和金属空气电池的阴极因其动力学缓慢严重阻碍了整体性能，迫切需要开发高效、稳定和低成本的电催化剂来降低氧化还原反应(ORR)的过电势，成为当务之急。
[0003]目前，商业化Pt/C仍然是ORR最有效的催化剂。但因Pt在地球上储量有限，价格高、抗毒性差等问题严重限制了Pt/C催化剂的发展和广泛应用。因此，研究者们开发了廉价的非贵金属催化剂作为替代品，例如不含金属的杂原子掺杂的碳材料、过渡金属掺杂碳复合材料(M/N/C，M＝Fe、Co等)及负载在氮缺陷的碳纳米材料的碳配位金属(L.Chen,X.Xu,W.Yang,J.Jia,Chinese Chem.Lett.2020,31,626
‑
634.)。其中基于M/N/C的ORR催化剂表现出高催化活性和良好的稳定性，被认为是一类有前景的非贵金属催化剂，其常见的合成方式是将金属源和氮、碳通过热解的方式组合在一起，这样很难使其活性位点分布均匀；或者是将金属与金属有机框架(MOFs)结合热解制备，但温度过高，容易导致结构坍塌，从而减少表面积，限制了物质的传输并影响了活性。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决现有技术中采用MOFs为前驱体制备基于M/N/C的ORR催化剂时易导致结构坍塌而影响其催化性能的技术问题，提供一种铁氮双掺杂的碳纳米复合材料及其制备方法。具有本征M
‑
N位点的MOFs拥有较大的比表面积和丰富的孔结构，是制备ORR催化剂的有效前驱体，本专利技术将Fe掺杂的MOFs和纳米纤维结合形成串珠，可以有效的防止其坍塌和团聚，进一步的提高其ORR活性。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：
[0006]本专利技术提供一种铁氮双掺杂的碳纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)制备含铁的金属有机框架材料Fe
‑
ZIF
‑8[0008]将六水合硝酸锌、二甲基咪唑、乙酰丙酮铁和有机溶剂混合，搅拌、水热反应、洗涤、离心、干燥后，得到Fe
‑
ZIF
‑
8；
[0009](2)制备铁氮双掺杂的碳纳米复合材料：
[0010]将Fe
‑
ZIF
‑
8、聚丙烯腈(PAN)和三聚氰胺加入到有机溶剂中，搅拌，静电纺丝，干燥，退火处理，得到铁氮双掺杂的碳纳米复合材料(标记为Fe
‑
CSFHs)。
[0011]优选地，所述步骤(1)中，有机溶剂为CH3OH，体积为45mL；六水合硝酸锌、二甲基咪唑和乙酰丙酮铁的质量比为1.190：1.314：0.141。
[0012]优选地，所述步骤(1)中，水热反应为120℃下反应4h。
[0013]优选地，所述步骤(1)中，干燥温度为60
‑
80℃，时间为12h。
[0014]优选地，所述步骤(2)中，有机溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)，体积为6mL；Fe
‑
ZIF
‑
8与PAN质量比为1.8：1；三聚氰胺的添加量为0.2
‑
0.8g。
[0015]进一步优选地，所述步骤(2)中，三聚氰胺的添加量为0.8g。
[0016]优选地，所述步骤(2)中，静电纺丝电压在15kV，推胶速度为0.6mL/h。
[0017]优选地，所述步骤(2)中，退火处理为：热解温度在240℃保留1
‑
2h，再升温至800
‑
1000℃，煅烧3h。
[0018]进一步优选地，所述步骤(2)中，退火处理为：N2氛围下240℃保留2h，再升温至900℃，煅烧3h，升温速率为3℃
·
min
‑1。
[0019]本专利技术还提供一种由上述制备方法制备得到的铁氮双掺杂的碳纳米复合材料。
[0020]本专利技术的有益效果是：
[0021]本专利技术的铁氮双掺杂的碳纳米复合材料的制备方法，利用静电纺丝技术，将Fe
‑
MOFs串起来，可防止其受热时坍塌；同时，纳米纤维的引入，既有利于形成三维结构，增大其活性面积，提供更多的活性位点，又能通过三聚氰胺的加入增加N的含量，提高Fe
‑
N的活性位点；且三聚氰胺的加入，可以使纤维直径更小，显著提高催化剂的性能如催化剂的活性和耐久性。与市售Pt/C催化剂相比，本专利技术的Fe
‑
CSFHs材料表现出更高的ORR活性，且原料廉价易得、工艺简单，易于工业化生产。
附图说明
[0022]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。
[0023]图1为实施例1制备的Fe
‑
ZIF
‑
8的透射电镜图；
[0024]图2为实施例1制备的0.8g
‑
Fe
‑
CSFHs
‑
900催化剂的透射电镜图；
[0025]图3为实施例1
‑
5制备的催化剂与Pt/C的ORR性能对比图；
[0026]图4为实施例1、对比例1
‑
2制备的催化剂、Pt/C催化剂的ORR性能对比图；
[0027]图5为实施例1制备的催化剂与Pt/C催化剂的耐久性对比图。
具体实施方式
[0028]实施例1
[0029]本专利技术的铁氮双掺杂的碳纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0030](1)Fe
‑
ZIF
‑
8的合成：
[0031]将1.314g二甲基咪唑溶于15mL CH3OH中，再将1.190g Zn(NO3)2·
6H2O和0.141g乙酰丙酮铁溶于30mL CH3OH中，将其各超声5min，待其均匀后将两者混合均匀，放置磁力旋转仪，搅拌1h后，转移至水热反应釜，放入烘箱，120℃，保留4h。待其冷却至室温后用甲醇多次清洗，离心后置于真空干燥箱60℃条件下，干燥12h，将淡黄色粉末用研钵研磨即可得到淡黄色的Fe
‑
ZIF
‑
8。
[0032](2)0.8g
‑
Fe
‑
CSFHs
‑
900的制备：
[0033]将1.340g的Fe
‑
ZIF
‑
8超声60min溶解于3mL DMF，加入0.8g三聚氰胺，同时将0.7776g PAN超声30min溶解于3mL DMF中。二者混合并搅拌32h后，得到的电纺前驱体溶液转移到装有7“针头的针筒内进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁氮双掺杂的碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备含铁的金属有机框架材料Fe
‑
ZIF
‑
8将六水合硝酸锌、二甲基咪唑、乙酰丙酮铁和有机溶剂混合，搅拌、水热反应、洗涤、离心、干燥后，得到Fe
‑
ZIF
‑
8；(2)合成铁氮双掺杂的碳纳米复合材料将Fe
‑
ZIF
‑
8、聚丙烯腈和三聚氰胺加入到有机溶剂中，搅拌，静电纺丝，干燥，退火处理，得到铁氮双掺杂的碳纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，有机溶剂为CH3OH，体积为45mL；六水合硝酸锌、二甲基咪唑和乙酰丙酮铁的质量比为1.190：1.314：0.141。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，水热反应为120℃下反应4h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，干燥温度为60
‑
80℃，时间为12h。5.根据权利要求1所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：郏建波，刘长宇，徐晓龙，
申请(专利权)人：江门市蓝达环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：