[发明专利]一种Fe-N-C纳米纤维网及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维网及其制备方法，具体涉及一种Fe-N-C纳米纤维网及其制备方法。

背景技术

现有的低温燃料电池阴极催化动力学缓慢，常用的Pt/C催化剂由于价格昂贵和资源稀缺，严重制约燃料电池的推广应用。而过渡金属氮碳化合物（M-N-C，M=Fe，Co等）催化性能高，价格便宜，受到研究者广泛关注。先驱体转化法具有组成和结构可设计和调控、成型和加工容易等优势，是目前制备陶瓷及其复合材料的主要方法之一。目前，常用的制备M-N-C催化剂的方法是选择合适的碳、氮、过渡金属先驱体，混合后在合适的温度下进行热解，制备工艺简单，被认为是极具潜力的催化剂制备方法。静电纺丝法是先驱体溶液依靠几千到几万伏的高压静电力拉伸来制备纳米纤维的有效方法，除具备设备简单、造价低和适用性广等优点以外，采用静电纺丝方法便于实现纳米纤维的规模化生产。但是，常规静电纺丝法制备的纳米纤维之间相互搭接，引入接触电阻，阻碍电荷在纤维之间的传输。

Yan等人（X. Yan, L. Gan, Y. Lin, L. Bai, T. Wang, X. Wang, J. Luo and J. Zhu, Controllable synthesis and enhanced electrocatalysis of iron-based catalysts derived from electrospun nanofibers. Small, 2014, DOI: 10.1002./small.201401213.）将PAN和Fe(NO₃)₃混合在DMF中，通过静电纺丝得到原纤维毡之后，直接预氧化和热解，所制备的Fe-N-C纳米纤维相互搭接，纤维之间的接触电阻会增大电荷在纤维之间传输阻力，导致纤维毡的导电性能下降，降低纤维毡的电催化活性。Jeong等人（B. Jeong, D. Shin, H. Jeon, J. D. Ocon, B. S. Mun, J. Baik, H. Shin and J. Lee, Excavated Fe-N-C sites for enhanced electrocatalytic acticity in the oxygen reduction reaction. ChemSusChem, 2014, 7, 1289-1294.）将PAN和Fe(acac)₃混合在DMF中，制备的纳米纤维毡经过球磨后，虽然暴露出更多活性位点，但断裂的纤维和破碎的孔结构会阻碍电荷传输和电解质在催化剂中的传输，导致纤维毡的电催化氧还原性能降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种工艺过程简单、便于实现规模化生产，所制得的纳米纤维网相互连接、电荷传输阻力低的Fe-N-C纳米纤维网及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种Fe-N-C纳米纤维网，按照以下方法制成：

（1）配制纺丝溶液：将乙酰丙酮铁、聚乙烯吡咯烷酮和乙醇以0.5～6:10:100的比例加入反应器中混合，然后超声分散，得纺丝溶液；

（2）静电纺丝：将步骤（1）所得纺丝溶液进行静电纺丝，收集乙酰丙酮铁/聚乙烯吡咯烷酮原纤维毡；

（3）溶剂气氛处理：将步骤（2）所得乙酰丙酮铁/聚乙烯吡咯烷酮原纤维毡置于聚乙烯吡咯烷酮的可溶性溶剂气氛中处理，得乙酰丙酮铁/聚乙烯吡咯烷酮原纤维网；

（4）预氧化：将步骤（3）所得乙酰丙酮铁/聚乙烯吡咯烷酮原纤维网在空气气氛下进行预氧化，得预氧化纤维网；

（5）热解：将步骤（4）所得预氧化纤维网与三聚氰胺以质量比1:8～12同时置于惰性气氛保护下进行热解，冷却至室温，得碳化后的纳米纤维网；

（6）酸处理：将步骤（5）所得碳化后的纳米纤维网进行酸处理，再用去离子水洗涤至中性，烘干；

（7）最终热解：将步骤（6）所得烘干后的纳米纤维网在惰性气氛保护下进行热解，冷却至室温，得Fe-N-C纳米纤维网。

进一步，步骤（3）中，所述聚乙烯吡咯烷酮的可溶性溶剂气氛是指聚乙烯吡咯烷酮的可溶性溶剂相对湿度为50～90RH%的空气气氛。所述相对湿度为空气中水或溶剂的绝对湿度与该温度下水或溶剂的饱和湿度的比值。

进一步，步骤（3）中，所述溶剂气氛处理的温度为15～60℃（优选20～40℃），时间为20～60h（优选22～30h）。

进一步，步骤（3）中，所述聚乙烯吡咯烷酮的可溶性溶剂包括乙醇、水或二甲基甲酰胺中的一种或几种。