[發(fā)明專利]竹形空心N摻雜碳納米管與C3

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010022640.8
• 申請(qǐng)日: 2020-01-09
• 公開（公告）號(hào): CN111244490B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡宗倩;李剛勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院
• 主分類號(hào): H01M4/96
• 分類號(hào): H01M4/96;H01M4/86;H01M8/16;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 趙靜

本發(fā)明公開了一種碳復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。所述碳復(fù)合材料N?CNTs@C₃N₄是由竹形空心N摻雜碳納米管與C₃N₄納米片交聯(lián)的復(fù)合材料。制備方法如下：1)將三聚氰胺和Co鹽混合均勻，并粉碎至粒徑小于200目；2)將混合原料粉末裝入容器中，并置于水平管式爐的中心，然后在Ar流下將管式爐加熱到800℃，并保溫2?4h；自然冷卻至環(huán)境溫度后，將產(chǎn)物中的Co物質(zhì)去除；3)將去除Co的產(chǎn)物在Ar流下加熱到1600℃，并保溫2?4h，即得。該復(fù)合材料可作為電極雙重捕獲葡萄糖/O₂EBFCs的電極材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于酶促生物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種竹形空心N摻雜碳納米管與C₃N₄納米片交聯(lián)的復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

酶促生物燃料電池(EBFCs)屬于燃料電池的一類，其中酶被用作催化劑，在溫和條件下將可再生和豐富生物燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此被視為潛在的綠色能源轉(zhuǎn)化技術(shù)。由生物燃料的陽極氧化產(chǎn)生的電子需要被運(yùn)輸?shù)疥帢O以還原氧化劑。然而，由于酶的活性中心深深地埋藏在絕緣蛋白中，酶和電極之間的電子傳遞緩慢、電極的低導(dǎo)電性以及阻礙的質(zhì)量傳遞通常限制了EBFCs的性能。因此，具有優(yōu)良導(dǎo)電性，高比表面積，電化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性的碳質(zhì)材料被用作導(dǎo)電納米線，以在酶的催化中心和電極之間建立電連通。其中，碳納米管(CNTs)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和電子特性，已被廣泛用作EBFC應(yīng)用中固定化酶的電極材料。例如，Zebda等人通過用CNT 機(jī)械壓縮酶來制備葡萄糖BFC，其顯示的OCP為0.95V，高功率密度高達(dá)1.3mW cm^-2。最近，鐘等人組裝的基于多壁CNT膜的葡萄糖/O₂BFC，其OCP為0.59V，最大功率密度為0.43±0.03mW cm^-2。然而，具有封閉結(jié)構(gòu)的CNT通常顯示出狹窄的直徑，因此幾乎不可能使酶滲透到管內(nèi)。在大多數(shù)情況下，酶通常會(huì)吸附在支撐材料的表面，這會(huì)使酶易于從電極上掉落，從而導(dǎo)致EBFC的不穩(wěn)定。在這方面，需要一種具有擴(kuò)大直徑的開放管狀結(jié)構(gòu)，不僅將酶固定在材料表面上，而且將其固定在中空管內(nèi)。

近年來，具有高比表面積和相互連接的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的三維(3D)碳材料已在能量存儲(chǔ)，催化和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域得到廣泛利用，表現(xiàn)出增強(qiáng)的性能。迄今為止，許多報(bào)告已經(jīng)證明了基于CNT和石墨烯的3D碳材料在EBFC中的有效應(yīng)用。例如，Xie等人報(bào)道了3D石墨烯網(wǎng)絡(luò)作為用于固定漆酶和多巴胺以制造葡萄糖/O₂BFC的新型電極材料，其最大功率密度為112μWcm^-2，短路電流密度為0.96mA cm^-2。Chen等人證明了配備3D石墨烯-CNT混合電極的EBFC，其具有卓越的性能，OCP約為1.2V，功率密度高達(dá)2.27±0.11mW cm^-2。盡管它們有效，但是這些電極材料的合成程序或多或少地復(fù)雜，并且某些特殊的試劑和設(shè)備對(duì)于化學(xué)氣相沉積工藝是必不可少的。另外，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，雜原子如N，S，F(xiàn)和P摻入完美的六邊形碳片中不可避免地會(huì)引起結(jié)構(gòu)和電子畸變，從而導(dǎo)致碳性質(zhì)的顯著改變。其中，氮的摻雜不僅會(huì)由于碳的負(fù)電性比碳大而產(chǎn)生極化，還會(huì)在碳骨架中引入缺陷，從而顯著影響碳的電子和電催化性能，尤其是在氧還原反應(yīng)(ORR)應(yīng)用中。在考慮在生物燃料電池環(huán)境中固定在碳基材料上的酶時(shí)，需要這種具有在陰極上增強(qiáng)ORR能力的碳質(zhì)支持材料。

盡管基于碳納米管和石墨烯已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是一種碳仍然很少滿足對(duì)更高的電催化電極性能不斷增長(zhǎng)的需求，因此，非常需要開發(fā)用于固定化酶的新型混合電極材料用于EBFCs的構(gòu)建。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種碳復(fù)合材料。

所述碳復(fù)合材料是按照包括下述步驟的方法制備得到的：

1)將三聚氰胺和/或二氰二胺與Co鹽混合均勻，并粉碎，得混合原料粉末；