[發明專利]一種由金屬單原子及其金屬衍生物負載的多孔碳基納米纖維薄膜材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110783950.6
• 申請日: 2021-07-12
• 公開（公告）號: CN113540478B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 芮琨;王文青;朱紀欣;武凱利
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88;H01M12/06;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 吳頻梅

本發明公開了一種由金屬單原子及其金屬衍生物負載的多孔碳基納米纖維薄膜材料的制備方法與應用，屬于功能納米材料的制備技術領域。將金屬有機骨架前驅體MOF與聚合物充分混合制備紡絲液，借助靜電紡絲技術獲得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部，進一步在惰性氣氛中進行熱處理，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豐富、導電率高、離子傳輸通道充足、柔性好及自支撐結構優良等物理特性，在電化學催化反應和電存儲的應用中，具備高活性、高容量、高穩定性的優勢。整個材料的制備工藝簡單，能耗低，環境友好，適合工業化大規模生產。

技術領域

本發明涉及一種可作為電化學催化與能源存儲材料的金屬單原子及其金屬衍生物負載的多孔碳基納米纖維薄膜材料的規模化制備方法，屬于功能納米材料的制備技術領域。

背景技術

化石能源的過度使用導致環境污染和能源枯竭現象日益嚴重，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為是理想的下一代能量存儲或轉換技術。金屬空氣電池因其高能量密度、低成本、環境友好和安全性而受到越來越多的關注。然而陰極氧還原反應在動力學上非常緩慢，目前商用貴金屬催化劑面臨著儲量低、成本高的缺點，因此，開發高性能、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、能量密度高和循環使用壽命長的特點，在便攜電子設備領域中得到廣泛應用，同時受到如軍事、航天、電動汽車等一些高技術應用領域的青睞。因此，探索并設計具有高活性、低成本的電催化劑材料和高容量、長壽命的電池電極材料具有重要的研究意義。

金屬有機框架物(MOFs)是由有機配體和金屬離子或團簇通過配位鍵自組裝形成的具有分子內孔隙的有機-無機雜化材料。它具有高孔隙率、低密度、大比表面積、孔道規則、孔徑可調、拓撲結構多樣性和可裁剪性等優點。MOFs衍生材料(金屬氧化物或硫化物)可以保留其前驅體的多孔性，大比表面積以及特定的結構等特點使其作為電池電極材料和電催化材料表現出優異的電化學性能。

靜電紡絲是一種簡便有效的可生產納米纖維加工工藝，聚合物溶液在強電場中進行噴射紡絲，固化成納米級直徑的聚合物細絲。基于靜電紡絲技術獲得的材料具有孔徑小、孔隙率高和纖維均勻性好等優異的物理特性。碳化后的纖維成網狀互通結構，具有優異的導電性、機械延展性。靜電紡絲技術在能源、環境、生物醫學和光電等領域得到廣泛應用。

發明內容

本發明解決的技術問題是：提供一種性能優異、工藝過程簡單、可規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載的多孔碳基納米纖維薄膜材料性能穩定、容量高、使用壽命長，不僅在電催化氧還原反應中具有很高的活性，更可以應用于能量存儲與轉換器件中(例如金屬空氣電池、金屬離子電池、超級電容器等)。

為了解決上述技術問題，本發明提出的技術方案是：金屬單原子及其金屬衍生物負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，室溫下充分攪拌形成白色溶液。將聚合物聚丙烯腈PAN加入上述溶液，充分攪拌混合≥24h，制備出紡絲液。通過使用靜電紡絲技術，得到ZIF-8納米顆粒摻雜的聚合物纖維薄膜PAN/ZIF-8；