[發(fā)明專利]一種由金屬單原子及其金屬衍生物負(fù)載的多孔碳基納米纖維薄膜材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110783950.6
• 申請(qǐng)日: 2021-07-12
• 公開（公告）號(hào): CN113540478B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 芮琨;王文青;朱紀(jì)欣;武凱利
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/90
• 分類號(hào): H01M4/90;H01M4/88;H01M12/06;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 吳頻梅

本發(fā)明公開了一種由金屬單原子及其金屬衍生物負(fù)載的多孔碳基納米纖維薄膜材料的制備方法與應(yīng)用，屬于功能納米材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。將金屬有機(jī)骨架前驅(qū)體MOF與聚合物充分混合制備紡絲液，借助靜電紡絲技術(shù)獲得MOF納米顆粒摻雜的聚合物纖維薄膜，通過浸漬使金屬離子吸附于纖維表面和內(nèi)部，進(jìn)一步在惰性氣氛中進(jìn)行熱處理，獲得金屬/氮摻雜多孔碳基雜化納米纖維薄膜材料。該方法制備的碳基薄膜材料具有活性位點(diǎn)豐富、導(dǎo)電率高、離子傳輸通道充足、柔性好及自支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)良等物理特性，在電化學(xué)催化反應(yīng)和電存儲(chǔ)的應(yīng)用中，具備高活性、高容量、高穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。整個(gè)材料的制備工藝簡(jiǎn)單，能耗低，環(huán)境友好，適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可作為電化學(xué)催化與能源存儲(chǔ)材料的金屬單原子及其金屬衍生物負(fù)載的多孔碳基納米纖維薄膜材料的規(guī)模化制備方法，屬于功能納米材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

化石能源的過度使用導(dǎo)致環(huán)境污染和能源枯竭現(xiàn)象日益嚴(yán)重，因此迫切需要尋求一種清潔能源替代化石能源的使用。燃料電池、金屬空氣電池、金屬離子電池等被認(rèn)為是理想的下一代能量存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)換技術(shù)。金屬空氣電池因其高能量密度、低成本、環(huán)境友好和安全性而受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而陰極氧還原反應(yīng)在動(dòng)力學(xué)上非常緩慢，目前商用貴金屬催化劑面臨著儲(chǔ)量低、成本高的缺點(diǎn)，因此，開發(fā)高性能、低成本的氧還原催化劑迫在眉睫。鋰離子電池具有放電電壓高、能量密度高和循環(huán)使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，在便攜電子設(shè)備領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)受到如軍事、航天、電動(dòng)汽車等一些高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的青睞。因此，探索并設(shè)計(jì)具有高活性、低成本的電催化劑材料和高容量、長(zhǎng)壽命的電池電極材料具有重要的研究意義。

金屬有機(jī)框架物(MOFs)是由有機(jī)配體和金屬離子或團(tuán)簇通過配位鍵自組裝形成的具有分子內(nèi)孔隙的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料。它具有高孔隙率、低密度、大比表面積、孔道規(guī)則、孔徑可調(diào)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣性和可裁剪性等優(yōu)點(diǎn)。MOFs衍生材料(金屬氧化物或硫化物)可以保留其前驅(qū)體的多孔性，大比表面積以及特定的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)使其作為電池電極材料和電催化材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

靜電紡絲是一種簡(jiǎn)便有效的可生產(chǎn)納米纖維加工工藝，聚合物溶液在強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行噴射紡絲，固化成納米級(jí)直徑的聚合物細(xì)絲。基于靜電紡絲技術(shù)獲得的材料具有孔徑小、孔隙率高和纖維均勻性好等優(yōu)異的物理特性。碳化后的纖維成網(wǎng)狀互通結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械延展性。靜電紡絲技術(shù)在能源、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)和光電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：提供一種性能優(yōu)異、工藝過程簡(jiǎn)單、可規(guī)模化制備的碳基功能納米材料的合成方法，制備得到的金屬單原子及其金屬衍生物負(fù)載的多孔碳基納米纖維薄膜材料性能穩(wěn)定、容量高、使用壽命長(zhǎng)，不僅在電催化氧還原反應(yīng)中具有很高的活性，更可以應(yīng)用于能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換器件中(例如金屬空氣電池、金屬離子電池、超級(jí)電容器等)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是：金屬單原子及其金屬衍生物負(fù)載的多孔碳基納米纖維薄膜材料該制備方法包括以下步驟：

a、將金屬鹽Zn(NO₃)₂與2-甲基咪唑分別溶于甲醇，在室溫下攪拌混合，使用甲醇洗滌離心后的產(chǎn)物，真空干燥后獲得白色粉末固體ZIF-8；

b、將步驟a中獲得的ZIF-8溶于N,N-二甲基甲酰胺，室溫下充分?jǐn)嚢栊纬砂咨芤骸⒕酆衔锞郾╇鍼AN加入上述溶液，充分?jǐn)嚢杌旌稀?4h，制備出紡絲液。通過使用靜電紡絲技術(shù)，得到ZIF-8納米顆粒摻雜的聚合物纖維薄膜PAN/ZIF-8；