[发明专利]一种新型金属有机配合物纤维及其衍生多孔碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能纳米材料技术领域，更具体地说，涉及一种金属有机配合物纤维及其衍生多孔碳纤维的制备方法。

背景技术

金属有机配合物是一种具有超分子结构的结晶多孔固体，由金属离子和有机配体通过配位键结合而成。最近，金属有机配合物所衍生的碳材料吸引了极大的研究兴趣，因具备极高的比表面积和可控的孔隙结构，使其在能量转换和存储等方面有着很大的应用前景(Energy Environ.Sci.2014,7,2071.)。许多研究报告发现，多种类型的金属有机配合物材料和其他碳源在惰性气氛下通过直接热解有可能转化为无定形微孔碳，而不需要任何激活过程。不幸的是，目前在此领域的研究主要致力于金属有机配合物微晶或纳米晶体，而缺乏对晶体形貌和尺寸的控制和合理设计。在碳化过程中，金属有机配合物晶体转变成散装碳粉，由于较高的转化温度，导致材料的有效比表面积的降低(J.Am.Chem.Soc.2014,136,6790.)。由于这个原因，尽管很多金属有机配合物晶体所衍生的微孔碳已被作为电极催化剂应用在燃料电池领域，但与商业Pt/C催化剂相比，在氧还原反应大部分材料表现出较差的电催化性能。

基于金属有机配合物纳米颗粒在结晶过程中的固有驱动力，金属有机配合物晶体趋向于形成一种固有形貌而很难改变。因此，寻找能够控制晶体尺寸和形貌的有效方法已成为研究热点。在过去几年中，多种制备金属有机配合物晶体有序结构的方法被成功探索。例如，Furukawa等人通过控制结晶的位置成功制备出了二维和三维金属有机配合物晶体(Nat.Mater.2012,11,717)。Maspoch等人通过旋涂干燥法制备出了中空多组分金属有机配合物超结构晶体(Nat.Chem.2013,5,203.)。Yu等人以碲纳米线为模板，通过水热法成功制备金属有机配合物的一维纳米线结构(J.Am.Chem.Soc.2014,136,14385)。然而，这些方法还有需要改进的地方，如需要简化制备工序，增加产物产量等。

综上所述，需要找到更简捷的方法制备具有特殊结构的金属有机配合物晶体，并保证其具有较高的比表面积和较大的产率，以满足其在能源等领域中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种金属有机配合物纤维及其衍生多孔碳纤维的简便制备方法。该制备方法要具有操作简便、产率大等优点，与纳米颗粒所衍生的多孔碳材料相比，制备的衍生多孔碳纤维需具有更高的比表面积和更好的电催化活性，并且在能源储存和转换等领域有很大的应用前景。

为了解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明金属有机配合物纤维及其衍生多孔碳纤维的制备方法，包括以下步骤：

步骤a)将六水合硝酸锌和/或六水合硝酸钴作为前驱物，与二甲基咪唑分别加入到甲醇中，然后将两种溶液混合，磁力搅拌下反应，所得产物离心分离、洗涤，获得金属有机配合物纳米颗粒；

步骤b)将金属有机配合物纳米颗粒分散到N,N-二甲基甲酰胺溶液中，再加入聚丙烯腈，磁力搅拌使聚丙烯腈溶解，获得乳白色或紫色(有钴的时候溶液会是紫色，没有钴只有锌的时候是白色)电纺溶液备用；

步骤c)通过静电纺丝技术，将电纺溶液制备成金属有机配合物/聚丙烯腈的电纺纤维，并通过铜网收集，然后剥离，得到金属有机配合物/聚丙烯腈纤维薄膜；

步骤d)将纤维薄膜煅烧，使金属有机配合物和聚丙烯腈转化为多孔碳，从而制备多孔碳纤维。

优选的，步骤a)中所述六水合硝酸锌的质量为0.80～4.25g，六水合硝酸钴的质量为0.01～2.85g，二甲基咪唑的质量为2.50～6.56g，用于溶解前驱物和二甲基咪唑的甲醇的体积分别50～300mL；步骤b)中所述聚丙烯腈的质量为0.25～0.4g，N,N-二甲基甲酰胺溶液的体积为3～6mL。更优选的，步骤a)中六水合硝酸锌的质量为1.24～2.96g，六水合硝酸钴的质量为0.03～1.46g，二甲基咪唑的质量为3.00～3.50g，用于溶解前驱物和二甲基咪唑的甲醇的体积分别为50～100mL；步骤b)中所述聚丙烯腈的质量为0.28～0.35g，N,N-二甲基甲酰胺溶液的体积为4～5mL。

优选的，步骤a)所述磁力搅拌时间为1～8h，转速100～300rpm；更优选的，磁力搅拌时间为2～3h，转速250rpm。

优选的，步骤a)中所述离心时间为5～20min，转速8000～15000rpm；更优选的，离心时间为8～12min，转速10000～13000rpm。