[發明專利]一種靜電紡絲制備金屬-氮分子/石墨烯/碳納米纖維復合材料的方法及其應用

在審

• 申請號: 202111528296.0
• 申請日: 2021-12-14
• 公開（公告）號: CN114192174A
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 王俊中;許翔翔;鄭方才;肖娟定
• 申請（專利權）人: 安徽大學綠色產業創新研究院
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/02;B01J35/06;B01J37/08;B01J37/34;C25B1/23;C25B1/50;C25B11/091;H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 喬恒婷

1.一種靜電紡絲制備金屬-氮分子/碳納米纖維復合材料的方法，其特征在于：

將含有金屬、氮元素的前驅體、高分子聚合物配成紡絲溶液進行靜電紡絲，獲得金屬-氮分子/聚合物復合納米纖維膜；然后將所得的復合納米纖維膜依次進行預氧化、碳化處理，即得到金屬-氮分子/碳納米纖維復合材料。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟1：將含有金屬、氮元素的前驅體和高分子聚合物加入有機溶劑中，在室溫下攪拌12h，形成均勻且有一定粘度的混合溶液；

步驟2：將步驟1獲得的混合溶液轉移到靜電紡絲容器盒中，在30-50mm/min的掃速下進行紡絲，電壓設定為20-30kV，空氣濕度保持在30％RH左右，調整紡絲距離為15cm，得到金屬-氮分子/聚合物納米纖維膜；

步驟3：將步驟2所得金屬-氮分子/聚合物復合納米纖維膜在空氣氣氛下進行預氧化處理，高溫煅燒后即可獲得金屬-氮分子/碳納米纖維復合材料。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于：

步驟1中，所述含有金屬、氮元素的前驅體為血紅素鐵、酞菁銅、酞菁鐵等含有M-N₄分子中心的物質；所述高分子聚合物為聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇縮丁基；所述含有金屬、氮元素的前驅體和高分子聚合物以及有機溶劑的質量比為0.005-0.025:0.06-0.10:1。

4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于：

步驟3中，預氧化處理時的氧化溫度為180-300℃，預處理時間為1-3h；高溫煅燒在高純氣體的氣氛中進行，煅燒溫度為800-1100℃，煅燒時間為1-2h。

5.一種權利要求1-4中任一項方法制備得到的金屬-氮分子/碳納米纖維復合材料的應用，其特征在于：將金屬-氮分子/碳納米纖維復合材料作為催化劑催化氧還原ORR和二氧化碳電還原CO₂RR反應。

6.一種靜電紡絲制備金屬-氮分子/石墨烯/碳納米纖維復合材料的方法，其特征在于：

將含有金屬、氮元素的前驅體、石墨烯、高分子聚合物配成紡絲溶液進行靜電紡絲，獲得金屬-氮分子/石墨烯/聚合物復合納米纖維膜；然后將所得的復合納米纖維膜依次進行預氧化、碳化處理，即得到金屬-氮分子/石墨烯/碳納米纖維復合材料。

7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟1：將含有金屬、氮元素的前驅體、石墨烯和高分子聚合物加入有機溶劑中，在室溫下攪拌12h，形成均勻且有一定粘度的混合溶液；

步驟2：將步驟1獲得的混合溶液轉移到靜電紡絲容器盒中，在30-50mm/min的掃速下進行紡絲，電壓設定為20-30kV，空氣濕度保持在30％RH左右，調整紡絲距離為15cm，得到金屬-氮分子/石墨烯/聚合物納米纖維膜；

步驟3：將步驟2所得金屬-氮分子/聚合物復合納米纖維膜在空氣氣氛下進行預氧化處理，高溫煅燒后即可獲得金屬-氮分子/石墨烯/碳納米纖維復合材料。

8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于：

步驟1中，所述含有金屬、氮元素的前驅體為血紅素鐵、酞菁銅、酞菁鐵等含有M-N₄分子中心的物質；所述高分子聚合物為聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇縮丁基；所述石墨烯、含有金屬、氮元素的前驅體、高分子聚合物和有機溶劑的質量比為0.0005-0.005:0.005-0.025:0.06-0.11:1。

9.根據權利要求6所述的方法，其特征在于：

步驟3中，預氧化處理時的氧化溫度為180-300℃，預處理時間為1-3h；高溫煅燒在高純氣體的氣氛中進行，煅燒溫度為800-1100℃，煅燒時間為1-2h。

10.一種權利要求1-4中任一項方法制備得到的金屬-氮分子/石墨烯/碳納米纖維復合材料的應用，其特征在于：將金屬-氮分子/石墨烯/碳納米纖維復合材料，作為自支撐的催化劑，雙功能電催化ORR、CO₂RR反應。