[發(fā)明專利]一種用于高效雙功能電催化的竹節(jié)狀氮摻雜碳納米纖維包覆過渡金屬合金納米粒子催化材料

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• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN111068734A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設計）人: 王吉德;馮超;喬閃閃;李世昂;張留根;陳廷祥
• 申請（專利權）人: 新疆大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J37/34;B01J37/08;B82Y30/00;B82Y40/00;C25B11/06;C25B1/02
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本發(fā)明公開了一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米纖維包覆過渡金屬合金納米粒子電催化材料的制備方法及其高效電催化氧還原和析氧性能。通過靜電紡絲技術，將PS纖維或PAN纖維與Co_XNi_Y?BTC相結合，合理的設計并合成了MOFs@PS或MOFs@PAN納米纖維，通過高溫碳化，合成了竹節(jié)狀氮摻雜碳納米纖維包覆過渡金屬合金納米粒子的電催化材料。通過控制不同的Co/Ni摩爾比，制備出納米級前驅體Co_XNi_Y?BTC，通過聚苯乙烯或聚丙烯腈的包覆，形成了Co_XNi_Y?BTC@PS或Co_XNi_Y?BTC@PAN納米纖維。其中PS纖維或PAN纖維作為模板在高溫碳化過程中轉化為具有良好導電性的碳纖維，Co/Ni雙金屬合金在均勻碳氮結構的包覆下避免了電解液的腐蝕和減緩其在反應過程中的團聚，并且金屬相與碳纖維之間的協(xié)同作用將顯著增強材料的電催化氧還原和析氧活性。

技術領域

本發(fā)明涉及一種竹節(jié)狀氮摻雜碳納米纖維包覆Co/Ni合金納米粒子電催化材料的制備方法及其高效電催化氧還原和析氧性能。通過簡易的靜電紡絲技術，將PS纖維或PAN纖維與不同Co/Ni摩爾比的圓球狀Co_XNi_Y-BTC相結合，合理的設計并合成了較為均勻的竹節(jié)狀Co_XNi_Y-BTC@PS或Co_XNi_Y-BTC@PAN納米纖維，經(jīng)過高溫碳化，合成了一系列竹節(jié)狀氮摻雜碳納米纖維包覆Co/Ni合金納米粒子的電催化材料，高效電催化氧還原和析氧性能。

背景技術

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對能源需求與日劇增。當前的能源結構主要依賴于石油、天然氣、煤炭等化石能源，其過度開采和使用造成了世界范圍內化石能源的嚴重短缺和環(huán)境污染等問題。為改變這一現(xiàn)狀，開發(fā)綠色、可持續(xù)的新能源成為全球經(jīng)濟發(fā)展的必然選擇。太陽能、風能、海洋能等作為可持續(xù)新型能源，使用過程中會受到地域或環(huán)境等影響，使其具有間歇性和不穩(wěn)定性。通過電化學轉化途徑將地球上儲備豐富的水資源轉化為更高價值的產(chǎn)品（氫氣、氧氣等）作為一個很有潛力的可持續(xù)新能源發(fā)展方向，受到科研工作者的廣泛關注。這一能源的開發(fā)和利用可實現(xiàn)以“水”、“氫氣”和“氧氣”為循環(huán)利用的能量轉換體系，實現(xiàn)真正意義上的“零排放”。在這一能源轉換體系中存在幾個重要的能量轉化技術，包括氫燃料電池技術、可逆金屬-空氣電池技術和電解水制氫等技術。如何提高這些能源器件的高效利用成為科研人員亟待解決的問題。研究發(fā)現(xiàn)，這些技術中存在幾個核心反應，包括氧還原反應（ORR）、氧氣析出反應（OER）、氫氣析出反應（HER）以及氫氣氧化反應（HOR），這些反應緩慢的動力學與過高的反應能壘降低了化學反應速率以及能量轉換效率，制約著這些能源器件的規(guī)模化應用。因此，開發(fā)高活性、高穩(wěn)定性的電催化劑可加快化學反應速率，減少反應過程中的能量損耗，是推動氫燃料電池、金屬-空氣電池以及電解水制氫等技術大規(guī)模應用的必由之路。

利用MOFs作為模板或前驅體制備無機納米材料引起了研究者們極大的興趣。由于MOFs中金屬離子和有機配體成周期性的排列，這使得由MOFs轉化得到的納米材料具有明確的結構和化學組成。此外，由于組成MOFs的金屬離子以及有機配體種類繁多，MOFs中各組分之間的配位強度以及熱穩(wěn)定性也各不相同，因此通過選擇不同的MOFs 前驅體或調節(jié)不同的反應條件可以合成出各種不同類型的納米材料。研究者發(fā)現(xiàn)，MOFs的熱解可以產(chǎn)生多種多樣的多孔碳納米材料，包括金屬氧化物/金屬硫化物/金屬磷化物基多孔碳復合材料等。另外，通過對MOFs進行改性，也可得到性能優(yōu)異的功能材料。這些MOFs基納米材料在光/電催化、儲能、傳感器、吸附等領域展現(xiàn)出了很好的應用前景。因此，MOFs基材料已成為化學及新型功能材料領域的研究熱點。