一种多孔互连中空碳纳米纤维膜的制备方法技术

本发明专利技术提供一种多孔互连中空碳纳米纤维膜的制备方法，属于纳米材料制备技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种多孔互连中空碳纳米纤维膜的制备方法


[0001]本专利技术涉及纳米材料制备
，尤其涉及一种多孔互连中空碳纳米纤维膜的制备方法
。

技术介绍

[0002]开发高孔隙率的非贵金属基催化剂在能源催化和环境催化领域至关重要
。
金属有机骨架
(MOF)
材料普遍具有优异的孔隙率
、
丰富的比表面积
、
规整的孔道
、
可调的孔径
、
拓扑多样性等特点，在能源与环境领域研究广泛
。
但是，多数
MOF
为固体粉末，不利于其在膜催化
、
膜分离
、
膜吸附等场景的广泛应用
。
特别是在作为电催化膜过程中，粉末催化剂通常要使用额外的非导电粘合剂
(PVDF、PTFE
和
Nafion)
和导电气体扩散层
(
碳布
、
碳纸
)
，来保证完整的气体扩散路径和催化环境
。
而非导电粘合剂的使用降低了电子和离子的电导率以及质量和电荷的存储
/
传输
。
因此，电催化剂性能的提高需要自支撑载体
(
增加导电率
)、
多孔结构和催化活性中心之间的协同作用
。
为此构建无粘结剂的自支撑多孔互连中空碳纳米纤维膜对于电极构造简易化
、
可持续能源与环境的发展和应用具有重要意义
。
[0003]静电纺丝是制造柔性基材的一种简便方法，也是在基材中引入多孔以制备功能催化材料的有效方法
。
通常碳纳米纤维具有接近纳米级的直径
、
可观的比表面积
、
良好的机械性能以及出色的导电性等特点，使其成为一种负载电催化剂和引入分级多孔的优选导电基材
。MOF
与纳米纤维复合电极材料不仅有利于纳米尺寸
MOF
的均匀分散，而且有利于电子
/
离子传递，并且在结构上继承了纳米纤维的高表面积和
MOF
衍生物的高催化活性的特点
。
纳米纤维实际上充当气体或电催化的传质路径，而碳纳米纤维的精细介孔和大孔结构可以容纳更多的放电产物并暴露丰富的催化活性位点
。
[0004]目前多孔互连中空碳纳米纤维膜的制备以多步合成为主，包括双层纳米纤维
(
核心层和壳层纳米纤维
)
同轴静电纺丝制备
、
原位生长
MOF、
有机溶剂辅助去除核心层纳米纤维
、
热解处理的四步合成路线
。
工艺过程复杂，成本较高
。
本方法将
MOF
与核心层溶液混合，通过同轴静电纺丝工艺和热解过程实现多孔互连中空碳纳米纤维膜的两步合成
。
这无疑是本领域的重大创新，对于提高合成效率而言，意义重大
。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种多孔互连中空碳纳米纤维膜的制备方法
。
该方法操作简便
、
步骤简单
、
可批量化制备，在能源催化与环境环保领域具有重要的实际应用价值
。
[0006]为解决上述专利技术目的，本专利技术提供的技术方案如下：
[0007]该方法首先将
MOF
和高分子聚合物的混合物作为壳层前驱体溶液，
SAN
树脂或
PMMA
作为核心层前驱体溶液，通过同轴静电纺丝和随后的碳化工艺制备混合基质膜材料
。
混合基质膜中的
SAN
树脂或
PMMA
作为自牺牲模板，碳化挥发并诱导中空碳纳米纤维成型，而
MOF
通过界面诱导在中空碳纳米纤维上形成多孔结构并通过中空管道相互连通
。
[0008]具体的，该方法包括步骤如下：
[0009]S1、
将金属盐和2‑
甲基咪唑分别溶解在
95
％的甲醇溶液中，将得到的2‑
甲基咪唑甲醇溶液迅速倒入金属盐甲醇溶液中，在
200
‑
800r/min
的转速下磁力搅拌
2h
，静置
12h
后离心过滤得到白色沉淀，用
95
％甲醇洗涤3次，再用水洗涤3次，得到
MOF
；
[0010]S2、
将高分子聚合物
、
金属盐和步骤
S1
中得到的
MOF
一起溶解在有机溶剂中，在
200
‑
800r/min
的转速下磁力搅拌6～
24h
，得到壳层前驱体溶液；将溶度为
15
～
45
％的
SAN
树脂或浓度为
15
～
45
％的
PMMA
作为核心层前驱体；将壳层前驱体溶液和核心层前驱体通过静电纺丝技术得到混合基质薄膜；
[0011]S3、
将步骤
S2
中得到的混合基质薄膜预氧化后，在
Ar
或
N2气氛下碳化，得到多孔互连中空碳纳米纤维膜
。
[0012]所述步骤
S1
中金属盐的金属离子为锌
、
钴
、
铜
、
铁
、
锆
、
锰
、
镍中的一种或多种
。
[0013]所述步骤
S1
中金属盐中金属离子和甲醇溶液摩尔比为
1∶300
，2‑
甲基咪唑和甲醇溶液摩尔比为3～
5∶300。
[0014]所述步骤
S2
中高分子聚合物为聚丙烯腈
、
聚乙烯醇
、
细菌纤维素
、
聚苯胺
、
聚酰亚胺中的一种，有机溶剂为二甲基甲酰胺
、
二甲基乙酰胺
、
丙酮
、
苯
、
二氯甲烷
、
二甲基亚砜
、
碳酸乙烯酯中的一种
。
[0015]所述步骤
S2
中金属盐和高分子聚合物的质量比为1～
30:200
，
MOF
和高分子聚合物的质量比为1～
2:1
～
20
；高分子聚合物和有机溶剂的质量比为1～
2∶10
～
15。
[0016]所述步骤
S2
中静电纺丝技术参数为：外加电压为
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多孔互连中空碳纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1、
将金属盐和2‑
甲基咪唑分别溶解在
95
％的甲醇溶液中，将得到的2‑
甲基咪唑甲醇溶液迅速倒入金属盐甲醇溶液中，在
200
‑
800r/min
的转速下磁力搅拌
2h
，静置
12h
后离心过滤得到白色沉淀，用
95
％甲醇洗涤3次，再用去离子水洗涤3次，得到
MOF
；
S2、
将金属盐
、
高分子聚合物与步骤
S1
中得到的
MOF
一起溶解在有机溶剂中，在
200
‑
800r/min
的转速下磁力搅拌6～
24h
，得到壳层前驱体溶液；将溶度为
15
～
45
％的
SAN
树脂或浓度为
15
～
45
％的
PMMA
作为核心层前驱体；将壳层前驱体溶液和核心层前驱体通过静电纺丝技术得到混合基质薄膜；
S3、
将步骤
S2
中得到的混合基质薄膜预氧化后，在
Ar
或
N2气氛下碳化，得到多孔互连中空碳纳米纤维膜
。2.
根据权利要求1所述的多孔互连中空碳纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤
S1
中金属盐的金属离子为锌
、
钴
、
铜
、
铁
、
锆
、
锰
、
镍中的一种或多种
。3.
根据权利要求1所述的多孔互连中空碳纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤
S1
中金属盐中金属离子和甲醇溶液摩尔比为
1∶300
，2‑
甲基咪唑和甲醇溶液摩尔比为3～
5∶300。4.
根据权利要求1所述的多孔互连中空碳纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤
S2
中高分子聚合物为聚丙烯腈
、
聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：于淑艳，彭利冲，李从举，
申请(专利权)人：河北地质大学，
类型：发明
国别省市：