[发明专利]一种氮、氟双掺杂微孔碳纳米纤维的制备方法

说明书

本发明涉及一种氮、氟双掺杂微孔碳纳米纤维的制备方法，将氮源、氟源及致孔剂在溶剂中混合，静电纺丝得到聚合物纳米纤维膜，然后经过水热处理、预氧化处理以及高温碳化得到氮、氟双掺杂的微孔碳纳米纤维。与现有技术相比，本发明工艺简单，得到的催化剂具有独特的微观形貌，在碱性和酸性条件下氧还原催化性能优异，有望在燃料电池催化剂等领域应用。

技术领域

本发明涉及聚合物膜燃料电池氧气还原催化剂的制备技术领域，尤其是涉及一种氮、氟双掺杂微孔碳纳米纤维的制备方法。

背景技术

随着环境和能源问题的日益突出，开发清洁、高效的新能源成为了全世界的研究热点，其中，燃料电池由于其高效率和低排放，被认为是继火力发电、水力发电和核能发电后的第四类发电技术，具有广阔的应用前景。聚合物膜燃料电池具有工作温度低(80℃)，电解质无腐蚀，工作电流大，环境友好等优点，成为目前发展最快、应用最广泛的燃料电池。目前聚合物膜燃料电池阴、阳极催化剂仍依赖贵金属Pt，尤其是阴极氧气还原催化剂。Pt昂贵、稀有，而且容易中毒，从而阻碍了燃料电池大规模商业化应用。开发低Pt,非贵金属以及非金属催化剂是聚合物膜燃料电池催化剂领域重要的研究方向。2009年，戴立明课题组在Science，2009，313，760上发表了氮掺杂的碳纳米管具有优异的氧还原催化活性。2013年第一篇氟掺杂的碳材料氧还原催化剂在ACS Catalysis上发表(ACS Catalysis,2013,3,1726)。随后研究者发现氮、氟双掺杂的碳材料具有更优异的氧还原催化性能(Nanoscale,2015,7,10584–10589；J.Mater.Chem.A,2016,4,4738；ACS Appl.Mater.Interfaces 2017,9,32859)。与Pt催化剂相比，掺杂的碳材料价格低，易于大规模制备，而且活性高，稳定性好。通过对碳材料的原子掺杂以及形貌控制，可以有效提高其催化活性。现有的氮、氟双掺杂碳材料的制备方法大多通过将含有氮、氟的无机物与已有的碳材料高温碳化，氟原子掺杂难度大，掺杂量低、制备方法复杂、制备条件不可控等缺陷。而本发明采用聚合物做为氮源、氟源、碳源和致孔剂，经纺丝、水热和碳化就得到氮、氟双掺杂多孔的碳材料，制备方法简单、可控，得到的催化剂氟含量高，形貌独特，比表面积大，催化性能优异。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种氮、氟双掺杂微孔碳纳米纤维的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种氮、氟双掺杂微孔碳纳米纤维的制备方法，将氮源、氟源及致孔剂在溶剂中混合，静电纺丝得到聚合物纳米纤维膜，然后经过水热处理、预氧化处理以及高温碳化得到氮、氟双掺杂的微孔碳纳米纤维，具体采用以下步骤：

(1)将氮源、氟源及致孔剂混合溶解在二甲基甲酰胺溶剂中，然后静电纺丝，得到聚合物纳米纤维膜；

(2)将聚合物纳米纤维膜进行水热处理；

(3)再将水热处理后的膜在空气中预氧化处理；

(4)处理后的聚合物纳米纤维膜在N₂保护下进行高温碳化，得到氮氟双掺杂的微孔碳纳米纤维。

所述氮源为聚丙烯腈和/或尿素，所述氟源为聚偏氟乙烯，所述致孔剂为乙烯吡咯烷酮，所述氮源与所述碳源的质量比为1:2～1:3，所述致孔剂与所述碳源的质量比为1:2～1:3，所述氟源与所述碳源的质量比为1:2～1:3。氮源、氟源及致孔剂在溶剂中总浓度为9wt％。

将所述静电纺丝溶液进行静电纺丝的具体方法如下：

21)将静电纺丝溶液注入注射器内；

22)将注射器连接不锈钢针头，并置入静电纺丝装置中，装置中铺设铝箔作为接收板；

23)在接收板上接入高压静电进行静电纺丝。