[發明專利]一種石墨烯負載氮摻雜碳納米管復合材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 201910957679.6
• 申請日: 2019-10-10
• 公開（公告）號: CN112652778B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 夏寶玉;徐洋洋
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M12/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 彭翠;李智

1.一種石墨烯負載氮摻雜碳納米管復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）將氧化石墨烯溶液、過渡金屬鹽的有機溶液和有機配體的有機溶液，混合攪拌數小時，固液分離得到固體，其為氧化石墨烯負載金屬有機框架材料的前驅體；所述有機配體的有機溶液中還包括成核促進劑，所述成核促進劑用于促進金屬有機框架材料在氧化石墨烯表面結晶成核和均勻分散；所述成核促進劑與所述有機配體的有機溶液的體積比為1:1000-1:2000；所述成核促進劑為能溶于有機溶劑的胺類物質；所述過渡金屬鹽為鐵金屬鹽、鎳金屬鹽或鈷金屬鹽；

（2）將步驟（1）獲得的前驅體在還原氣氛中進行退火處理，使所述前驅體中的過渡金屬離子轉化為金屬納米顆粒，并催化有機配體轉化為氮摻雜碳納米管，得到退火處理后的固體粉末；

（3）將步驟（2）獲得的退火處理后的固體粉末置于酸液中洗滌，除去不穩定的過渡金屬納米顆粒，固液分離并干燥后即為石墨烯負載氮摻雜碳納米管復合材料；所述復合材料為連續的二維分層多級結構；

步驟（2）所述退火處理采用的氣氛為氫氣和惰性氣體的混合氣氛，其中氫氣的體積分數為2%-10%；所述退火溫度為600-900℃，退火時間為1-6小時，升溫速率為1-10 ℃/min；

步驟（1）和步驟（2）之間還包括強化負載步驟：將所得到的氧化石墨烯負載金屬有機框架材料的前驅體重新溶解于有機溶劑中，再次與過渡金屬鹽的有機溶液、有機配體的有機溶液以及成核促進劑混合攪拌數小時，固液分離得到固體，其為氧化石墨烯負載金屬有機框架材料的前驅體；重復所述強化負載步驟三至五次。

2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述成核促進劑為乙胺、二乙基胺、三乙基胺、乙二胺和芐基三乙基氯化銨中的一種或多種。

3.如權利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液為將采用Hummer法氧化剝離得到的氧化石墨烯初始溶液溶于有機溶劑中得到，所述氧化石墨烯初始溶液的濃度為 6-15 g/L，其與有機溶劑按照體積比1:4-1:8混合得到所述氧化石墨烯溶液；

所述過渡金屬鹽為硝酸鹽、醋酸鹽或鹽酸鹽；所述過渡金屬鹽的有機溶液中過渡金屬鹽的濃度為0.03-0.08 mol/L；所述有機配體為均苯三甲酸和/或2-甲基咪唑；所述有機配體與所述過渡金屬鹽的摩爾比為1:2 -1:32。

4.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（1）所述混合攪拌的時間為2-6小時。

5.如權利要求1至4任一項所述的制備方法制備得到的石墨烯負載氮摻雜碳納米管復合材料。

6.如權利要求5所述的石墨烯負載氮摻雜碳納米管復合材料的應用，其特征在于，用作鋅空氣電池的正極活性材料。

7.一種鋅空氣電池，其特征在于，其包括正極材料，所述正極材料包括如權利要求5所述的石墨烯負載氮摻雜碳納米管復合材料。