[发明专利]中空铁基金属有机框架材料和铁掺杂的碳氮纳米材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种中空铁基金属有机框架材料和铁掺杂的碳氮纳米材料及制备方法，该铁基金属有机框架材料具有中空的八面体结构且具有较高的比面积，不仅如此，该铁基金属有机框架材料在热解后，中空的八面体结构能够得以保留，而不会出现常规的MOFs在热解后坍塌的现象，使得该热解后的纳米材料即铁掺杂的碳氮纳米材料依然具有中空的结构，具有较高的比表面积。在电催化应用中，铁掺杂的碳氮纳米材料显示半波电位E_1/2较高，电流密度大、循环稳定性好等优势，不仅如此，该铁掺杂的碳氮纳米材料对甲醇具有较高的耐受性。

技术领域

本发明涉及纳米材料，具体地，涉及一种中空铁基金属有机框架材料和铁掺杂的碳氮纳米材料及制备方法。

背景技术

金属-有机骨架结构(MOFs)以其金属离子和有机配体的交替构建三维可调及高度多孔的结构而引起了人们广泛的研究兴趣。基于这些特性，MOFs及其衍生材料在气体吸附、分离、催化、药物传递等领域得到了广泛的应用。此外，通过调节MOFs的尺寸和形态，可以增强催化性能和获得一些非常规功能。例如，中空MOFs及其衍生材料在药物传递和选择性催化方面表现出更好的性能。与固体材料相比，中空结构纳米材料具有一些独特的特性如低密度、高表面积、节省材料等特点，可广泛应用于许多重要领域。因此，需要合理设计能够控制最终产物的结构和形貌的MOFs合成工艺。

近年来，以MOFs为前体合成多孔金属氧化物、碳/金属复合材料和单原子材料得到了广泛的研究。尽管与传统材料相比MOFs衍生材料表现出了一些优势，但是，具体到应用方面，常规MOFs热解后所得的金属掺杂的纳米材料在电催化领域中显示半波电位E_1/2较低，电流密度小、循环稳定性差。

因此，开发一种半波电位E_1/2高，电流密度大、循环稳定性好的金属掺杂的纳米材料，将对电催化的发展具有重大的意义。

发明内容

本发明的发明人经过研究发现：常规的MOFs在热分解后所得的掺杂的纳米材料之所以在电催化领域中显示半波电位E_1/2较低，电流密度小、循环稳定性差，与其结构的变化有很大关系。虽然人们致力于中空的MOFs的开发，但是常规的中空MOFs在热分解后往往存在结构坍塌和聚集的问题，使得热分解后所得的掺杂的纳米材料很难具有中空MOFs前驱物中的中空结构，所以反应物很难到达反应位点，从而使得电催化性能差。

基于上述发现，本发明的目的是提供一种中空铁基金属有机框架材料和铁掺杂的碳氮纳米材料及制备方法，该铁基金属有机框架材料具有中空的八面体结构且具有较高的比面积，不仅如此，该铁基金属有机框架材料在热解后，中空的八面体结构能够得以保留，而不会出现常规的MOFs在热解后坍塌的现象，使得该热解后的纳米材料即铁掺杂的碳氮纳米材料依然具有中空的结构，具有较高的比表面积。在电催化应用中，铁掺杂的碳氮纳米材料显示半波电位E_1/2较高，电流密度大、循环稳定性好等优势，不仅如此，该铁掺杂的碳氮纳米材料对甲醇具有较高的耐受性。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种铁基金属有机框架材料，该铁基金属有机框架材料的粒度范围为470-530nm，比表面积为155-165m²/g；其中，该铁基金属有机框架材料具有中空的八面体结构。

本发明第二方面提供一种铁基金属有机框架材料的制备方法，包括将质量比为1:1.5-2.5的Fe-MOFs和六亚甲基四胺在有机溶剂中加热反应的步骤。

本发明第三方面提供一种铁掺杂的碳氮纳米材料，该铁掺杂的碳氮纳米材料的粒度范围为220-280nm，比表面积为175-195m²/g；其中，该铁掺杂的碳氮纳米材料具有中空的八面体结构。

本发明第四方面提供一种铁掺杂的碳氮纳米材料的制备方法，包括：(1)将质量比为1:1.5-2.5的Fe-MOFs和六亚甲基四胺在有机溶剂中加热反应，得到铁基金属有机框架材料；(2)将所述铁基金属有机框架材料在氮气气氛中热解的步骤。