[发明专利]一种分层介孔-纳米碳管网状结构催化剂材料及其制备方法

说明书

本发明属于新材料的制备方法，具体是一种分层介孔‑纳米碳管网状结构催化剂材料及其制备方法。所述方法采用静电纺丝技术，以PVP为成纤模板，在纺丝溶液中添加氨基化石墨烯量子点和过渡金属盐，控制纺丝的环境温度20℃～25℃，相对湿度10～20％，纺丝电压20KV～28KV，在收集板上原位制备由聚合物基复合纳米纤维构筑的分层网状结构的前体材料，再经预氧化、碳化过程，获得由M‑N‑C(M＝Fe,Co)纳米纤维构筑的分层介孔结构的纳米电催化剂材料，该催化剂在起始和半波电位上表现出相当于商用Pt/C催化剂的优异的ORR活性。

技术领域

本发明属于新材料的制备方法，具体是一种分层介孔-纳米碳管网状结构催化剂材料及其制备方法。

背景技术

近年来，电纺纳米材料由于其大的表面积，独特的化学结构，易于调节的组成以及出色的电子和质量传输特性，已被视为用于能量存储和转化的有效电催化剂。静电纺丝是生产具有可调组成和可控结构的纤维或管状纳米材料的最简便通用的方法之一。在最近几年中，用于电催化应用的电纺纳米材料上的工作越来越多。

由于非贵金属材料来源广泛，成本低廉，性能和Pt基催化剂相当甚至更优，而成为下一代氧还原催化剂的理想选择。其中Fe-N-C、Co-N-C已陆续纳入非贵金属氧还原催化剂的研究范围。目前公开报道使用静电纺丝方法制备的M-N-C(M＝Fe、Co)催化剂多集中在一维平面非有序结构的多孔碳材料上的研究，这会限制反应过程中电子的传递。进而影响ORR的动力学性能。因此使用静电纺丝法制备多层数的催化剂有重要意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种具有分层介孔/纳米碳管网状结构催化剂材料及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种分层介孔-纳米碳管网状结构催化剂材料的制备方法，所述方法为：采用静电纺丝技术，以PVP为成纤模板，在纺丝溶液中添加氨基化石墨烯量子点和过渡金属盐，控制纺丝的环境温度为20℃～25℃，相对湿度10～20％，纺丝电压20KV～28KV，在收集板上原位制备由聚合物基复合纳米纤维构筑的分层网状结构的前体材料，再经预氧化、碳化过程，获得由M-N-C(M＝Fe,Co)纳米纤维构筑的分层介孔结构的纳米电催化剂材料。

上述技术方案中，进一步地，所述过渡金属盐为Fe(NO₃)₃^.9H₂O或Co(AC)₂^.12H₂O。

上述技术方案中，进一步地，所述制备方法具体为：

(1)配置纺丝前驱体溶液：取氨基化石墨烯量子点和过渡金属盐，以N-N二甲基甲酰胺为溶剂，PVP为胶黏剂配置纺丝前驱体溶液；

(2)静电纺丝：步骤(1)配置的纺丝前驱体溶液室温为20℃～25℃，相对湿度为10～20％的环境中进行静电纺丝，纺丝电压为20kV～28kV左右，接收距离为10～15cm；在铝箔收集板上原位制备由聚合物基复合纤维构筑的分层网状结构的前体材料；

(3)预氧化、碳化：将步骤(2)制备的前体材料在空气的氛围中预氧化处理200～300℃，预氧化处理后置于NH₃的气氛中600～900℃煅烧，保温1～2小时以上，即得所需催化剂材料。

上述技术方案中，进一步地，所述溶剂:过度金属盐:石墨烯:胶黏剂加入量比为2.5～7wt％:10～25wt％:8～13wt％。

上述技术方案中，进一步地，所述PVP搅拌时间为48h～96h，搅拌温度为15℃～20℃。

上述技术方案中，进一步地，所述煅烧前管式炉抽真空，在真空的条件下开始通入氨气，并且通入气体NH₃的速率每两秒一个气泡，在此条件下煅烧。