【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维及其制备方法与应用,属于氧还原催化剂。
技术介绍
1、为了应对传统化石燃料的枯竭及其所带来的环境污染问题，研究人员开发了一些常见的新型储能装置，如燃料电池，金属-空气电池。氧还原反应(orr)在各种能量转换和存储系统中起着至关重要的作用。迄今为止，商业化的ptc具有优异的orr催化性能，但其储量稀缺且价格过高。因此，高效稳定且价格低廉的orr催化剂具有广阔应用前景。
2、目前，非贵金属基电催化剂中，过渡金属氧化物以其优良的电催化性能和可调电子结构等特点引起了广泛的研究，有望替代贵金属用于氧还原，但需要进一步提高其催化性能。稀土元素由于拥有独特的4f亚层电子结构、极强的亲氧性、灵活可变的价态和丰富的空位引起广泛研究。在这里，我们构建coo/tm2o3异质界面可以有效修饰活性位点的电子态，从而提高催化剂的本征活性；运用静电纺丝技术制备一维多孔碳纤维材料，其中一维中空结构使催化剂具有相对较大的比表面积，可以提供更多的活性位点，有利于物质传输，并保持结构稳定。综上所述，异质结诱导电子调控策略及一维多孔纤维结构的构建将为过渡金属基电催化剂在能量转换领域带来新启发。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维及其制备方法与应用，该制备方法简便通用，成本低廉，而且所制得的多孔碳纳米纤维的coo/tm2o3异质结构作为氧还原电催化剂材料表现出优异的活性和稳定性。p>
2、为解决现有的技术问题，本专利技术采取技术方案：
3、一种负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维材料制备方法，包括以下步骤：
4、步骤1，co/tm-zif8前驱体的制备
5、以甲醇作为溶剂，加入锌盐、钴盐和铥盐形成溶液a；另取甲醇作为溶剂，加入2-甲基咪唑(2-meim)形成溶液b,再将a溶液迅速加到b溶液中搅拌混合均匀后，离心干燥，得co/tm-zif8前驱体；
6、步骤2，将co/tm-zif8前驱体溶解在含有pan的dmf溶液中，加热搅拌均匀后，得前驱体溶液；
7、步骤3，将前驱体溶液经过静电纺丝得固体碳纤维薄膜；
8、步骤4，将固体碳纤维薄膜在无氧气氛中程序升温，并保温保证煅烧反应充分，再自然冷却，即得负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维材料。
9、作为改进的是，步骤1中所述的锌盐为六水合硝酸锌；钴盐为六水硝酸钴，铥盐为五水合硝酸铥，且六水硝酸锌和六水硝酸钴的摩尔比为8:1，硝酸铥的摩尔数为加入锌盐和钴盐总摩尔数的1-5％。
10、作为改进的是，步骤2中所述pan分子量为150000，加热搅拌的温度为60℃，时间为12h。
11、作为改进的是，步骤3中所述静电喷雾的条件为：温度15-35℃、注射器推速0.5-1.0ml·h-1、电压15-25kv。
12、作为改进的是，步骤4中程序升温加热至800-1000℃，升温速率为5℃/min，保持80-150min，进行高温煅烧，所述无氧气氛为n2、ar的一种或多种混合。
13、上述制备方法制得的一种负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维材料。
14、上述负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维材料为一维多孔纤维结构，中空co/tm-zif8在碳纳米纤维上均匀分布，且表面粗糙具有较大的电化学比表面积，具有丰富孔道，石墨化程度较高。所述异质结是两种不同的物质coo和tm2o3通过形成异质界面而组成，界面处电子相互作用形成内置电场，引入tm2o3组分后可以有效调变活性位点电子结构，增强对中间体的结合强度，促进反应发生。
15、上述制备方法制得的一种负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维材料在碱性氧还原反应中作为电催化剂的应用。
16、反应原理：
17、以乙酸钴和硝酸铥为金属源，pan为碳氮源，以dmf作为溶剂，通过静电纺丝作用，预先制备固体碳纤维薄膜，使其在高温惰性气氛中煅烧，制备得具有优异的氧还原催化活性的负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维材料。该材料是中空多孔纤维结构，具有较大的比表面积；表面粗糙且具有丰富孔道，能够有效的促进电子和离子的快速传输，促进反应物的反应和产物的快速产出，从而提高催化反应速率，由于一维多孔碳纳米纤维与活性物质coo/tm2o3异质结之间的结构，即负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维材料能够有效的锚定活性金属材料coo/tm2o3异质结，使其在反应过程中不易发生团聚和脱落的现象，再与组分优势结合，保证材料具有较高的氧还原催化活性及优异的稳定性。
18、有益效果：
19、与现有技术相比，本专利技术一种负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维材料及其制备方法与应用，具有如下优势；
20、1)通过静电纺丝技术制备一维多孔碳纳米纤维负载的coo/tm2o3异质结电催化剂材料，其制备工艺简便高效、可实现规模化生产；
21、2)所选用的pan廉价易得，与传统制备氧还原电催化剂材料的方法相比，该方法工艺简单易行、成本低廉、操作简单、可实现大规模生产；
22、3)所制得的产物形貌均一稳定，coo/tm2o3异质结纳米粒子均一地负载于一维多孔碳纳米纤维材料中，从而所制得的材料具有活性位点多，催化性能好以及稳定性良好等特点，与常规的co基氧化物材料相比，所制备的一维多孔碳纳米纤维材料负载coo/tm2o3异质结的电催化剂具备更为优异的结构特点和组分优势，是一种极有潜力的氧还原电催化剂材料，在未来的能源行业应用中具有广阔前景。
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1.一种负载CoO/Tm2O3异质结的多孔碳纳米纤维材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种负载CoO/Tm2O3异质结的多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的锌盐为六水合硝酸锌；钴盐为六水硝酸钴，铥盐为五水合硝酸铥，且六水硝酸锌和六水硝酸钴的摩尔比为8:1，硝酸铥的摩尔数为加入锌盐和钴盐总摩尔数的1-5％。
3.根据权利要求1所述的一种负载CoO/Tm2O3异质结的多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤2中所述PAN分子量为150000，加热搅拌的温度为60℃，时间为12h。
4.根据权利要求1所述的一种负载CoO/Tm2O3异质结的多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤3中所述静电喷雾的条件为：温度15-35℃、注射器推速0.5-1.0mL·h-1、电压15-25kV。
5.根据权利要求1所述的一种负载CoO/Tm2O3异质结的多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤4中程序升温加热至800-1000℃，升温速率为5℃/min，保持80-150min，进行高温煅烧，所述无氧气
6.一种基于权利要求1所述制备方法制备得到的负载CoO/Tm2O3异质结的多孔碳纳米纤维材料。
7.根据权利要求6所述的负载CoO/Tm2O3异质结的一维多孔碳纳米纤维材料，其特征在于，中空Co/Tm-ZIF8在碳纳米纤维上均匀分布，且表面粗糙具有较大的电化学比表面积，具有丰富孔道，石墨化程度较高。所述异质结是两种不同的物质CoO和Tm2O3通过形成异质界面而组成，界面处电子相互作用形成内置电场，引入Tm2O3组分后可以有效调变活性位点电子结构，增强对中间体的结合强度，促进氧还原反应发生。
8.基于权利要求1所述制备方法制备得到的负载CoO/Tm2O3异质结的多孔碳纳米纤维材料在碱性氧还原反应中作为催化剂的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的锌盐为六水合硝酸锌；钴盐为六水硝酸钴，铥盐为五水合硝酸铥，且六水硝酸锌和六水硝酸钴的摩尔比为8:1，硝酸铥的摩尔数为加入锌盐和钴盐总摩尔数的1-5％。
3.根据权利要求1所述的一种负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤2中所述pan分子量为150000，加热搅拌的温度为60℃，时间为12h。
4.根据权利要求1所述的一种负载coo/tm2o3异质结的多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤3中所述静电喷雾的条件为：温度15-35℃、注射器推速0.5-1.0ml·h-1、电压15-25kv。
5.根据权利要求1所述的一种负载coo/tm2o3异质结的...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐林，庞明鑫，周其兴，孙冬梅，唐亚文，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：
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