一种MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。本发明专利技术以MOF为原料，在高C和高N氛围中对MOF进行处理，促使MOF发生炭化并重组为碳纳米管，同时掺入N元素，使制备得到的MOF衍生碳纳米管拥有Co金属位点(MOF提供)和N原子同时具有孔隙结构，增加了碳纳米管的活性位点，提高了碳纳米管的催化性能；并且本发明专利技术在碳毡上原位制备碳纳米管，提高了碳纳米管与碳毡的结合力，使其在催化过程中碳纳米管与碳毡不易剥离，提高了循环稳定性。此外，本发明专利技术还通过控制炭化和重组的温度和时间，使得电极材料具有更优的催化活性和优异的循环稳定性。更优的催化活性和优异的循环稳定性。更优的催化活性和优异的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于复合材料
，具体涉及一种MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]为了环境能源的可持续发展，开发可再生清洁能源技术至关重要。其中(光)电化学能源技术在处理环境和能源方面问题具有一定优势，例如：处理水中有机物、分解水产能、氧化氨氮、固定二氧化碳、燃料电池及超级电容器等方面。
[0003]传统的(光)电化学能源技术中常以贵金属作为催化剂，迫于传统贵金属催化剂过于昂贵的成本，常以碳纳米管粉体与碳布或碳毡粘连的方式形成的电极进行替代。但以碳纳米管粉体与碳布或碳毡粘连的方式形成的电极存在循环性能低和催化性能低的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料及其制备方法和应用，本专利技术的电极材料具有优异的循环稳定性和催化性能。
[0005]本专利技术提供了一种MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]将碳基体、钴盐溶液与二甲基咪唑溶液混合，发生配位反应，在所述碳基体表面形成MOF材料，得到MOF修饰碳基体；
[0007]将含N的碳源在惰性氛围中进行分解反应，形成高C和高N的氛围；
[0008]将所述MOF修饰碳基体在所述高C和高N的氛围中进行炭化和重组，得到MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料；
[0009]所述炭化和重组的温度为600～800℃，时间为1～6h。
[0010]优选的，所述分解反应的温度为400～500℃，时间为1～4h。
[0011]优选的，所述MOF修饰碳基体中MOF的载量为0.3～0.5mg/cm2。
[0012]优选的，所述钴盐溶液包括硫酸钴溶液或硝酸钴溶液。
[0013]优选的，所述钴盐溶液中钴盐与二甲基咪唑溶液中二甲基咪唑的摩尔比为1：4～10。
[0014]优选的，所述MOF修饰碳基体与含N的碳源的质量比为1:0.4～1。
[0015]优选的，所述含N的碳源包括尿素、二氰二胺和三聚氰胺中的一种或多种。
[0016]优选的，升温至所述分解反应的温度的升温速率和升温至所述炭化和重组温度的升温速率独立地不高于10℃/min。
[0017]本专利技术还提供了上述方案所述制备方法制备的MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料，包括碳基体和负载在所述碳基体上的MOF衍生碳纳米管；所述MOF衍生碳纳米管含有元素C、N、O和Co，管径为10～250nm。
[0018]本专利技术还提供了上述方案所述的MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料作为电极材
料在光电催化体系或电催化体系中的应用。
[0019]本专利技术提供了一种MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料的制备方法，包括以下步骤：将碳基体、钴盐溶液与二甲基咪唑溶液混合，发生配位反应，在所述碳基体表面形成MOF材料，得到MOF修饰碳基体；将含N的碳源在惰性氛围中进行分解反应，形成高C和高N的氛围；将所述MOF修饰碳基体在所述高C和高N的氛围中进行炭化和重组，得到MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料；所述炭化和重组的温度为600～800℃，时间为1～6h。本专利技术以MOF为原料，在高C和高N氛围中对MOF进行处理，促使MOF发生炭化并重组为碳纳米管，同时掺入N元素，使制备得到的MOF衍生碳纳米管拥有Co金属位点(MOF提供)和N原子，同时具有孔隙结构，增加了碳纳米管的活性位点，提高了碳纳米管的催化性能；并且本专利技术在碳基体上原位制备碳纳米管，提高了碳纳米管与碳基体的结合力，使其在催化过程中碳纳米管与碳基体不易剥离，提高了循环稳定性。此外，本专利技术还通过控制炭化和重组的温度和时间，使得电极材料具有更优的催化活性和优异的循环稳定性。
[0020]实施例结果表明，本专利技术的MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料作为电极材料催化降解水中的铀酰离子时，铀酰离子的去除效率达到100％，并且连续30次循环性后，对铀酰去除效率达到97％以上；本专利技术的电极材料用于分解水产氢时，产氢速率为45μmol
·
cm
‑2·
h
‑1；在循环测试分解水产氢的过程中，10次循环后产氢效率没有明显衰减，具有良好的稳定性能；本专利技术的电极材料制作的超级电容器可以在1mA/cm2的电流密度下提供601.9F
·
g
‑1的比电容，在5mA/cm2充电3000次充放电循环后保持84％的电容量，表现出优异的循环稳定性。
[0021]并且本专利技术的电极材料作为混合串联光催化燃料电池中的阴极时具有良好的导电性，具有良好电子转移的能力；本专利技术的电极材料具有良好的亲水性和较好的吸附性能，催化降解水中抗生素具有良好的稳定性和较长的使用寿命。
附图说明
[0022]图1为本专利技术MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料的制备工艺示意图；
[0023]图2为实施例1MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料的XRD图；
[0024]图3为实施例1的MOF修饰碳基体在倍率为10μm时的SEM图；
[0025]图4为实施例1的MOF修饰碳基体在倍率为1μm时的SEM图；
[0026]图5为实施例1MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料在倍率为10μm时的SEM图；
[0027]图6为实施例1MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料在倍率为1μm时的SEM图；
[0028]图7为实施例1MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料的TEM图；
[0029]图8为实施例1MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料的XPS谱图；
[0030]图9为应用例1的除铀效率测试结果图；
[0031]图10为应用例1的除铀效率循环测试结果图；
[0032]图11为对比应用例1的循环伏安曲线图；
[0033]图12为应用例3和对比应用例2的三电极系统进行阻抗测试结果图。
具体实施方式
[0034]本专利技术提供了一种MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料的制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
[0035]将碳基体、钴盐溶液与二甲基咪唑溶液混合，发生配位反应，在所述碳基体表面形成MOF材料，得到MOF修饰碳基体；
[0036]将含N的碳源在惰性氛围中进行分解反应，形成高C和高N的氛围；
[0037]将所述MOF修饰碳基体在所述高C和高N的氛围中进行炭化和重组，得到MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料；
[0038]所述炭化和重组的温度为600～800℃，时间为1～6h。
[0039]本专利技术将碳基体、钴盐溶液与二甲基咪唑溶液混合，发生配位反应，在所述碳基体表面形成MOF材料，得到MOF修饰碳基体。
[0040]在本专利技术中，所述混合优选包括将碳基体浸渍于钴盐溶液中，然后向所得混合物中加入二甲基咪唑溶液。
[0041]在本专利技术中，所述碳基体优选包括碳毡，所述碳毡优选为商业碳毡。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料的制备方法，包括以下步骤：将碳基体、钴盐溶液与二甲基咪唑溶液混合，发生配位反应，在所述碳基体表面形成MOF材料，得到MOF修饰碳基体；将含N的碳源在惰性氛围中进行分解反应，形成高C和高N的氛围；将所述MOF修饰碳基体在所述高C和高N的氛围中进行炭化和重组，得到MOF衍生碳纳米管/碳基体复合材料；所述炭化和重组的温度为600～800℃，时间为1～6h。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分解反应的温度为400～500℃，时间为1～4h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述MOF修饰碳基体中MOF的载量为0.3～0.5mg/cm2。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钴盐溶液包括硫酸钴溶液或硝酸钴溶液。5.根据权利要求1、3或4所述的制备方法，其特征在于，所述钴盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾庆意，张清彦，曾庆明，张超，郭陆林，王旭，杨晴晴，巩海一，文艳君，
申请(专利权)人：南华大学，
类型：发明
国别省市：