[发明专利]一种氮硼共掺杂碳纳米纤维材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮硼共掺杂碳纳米纤维材料及其制备方法和应用。该氮硼共掺杂碳纳米纤维材料的制备方法包括如下步骤：在惰性气体或氮气环境中，将反应物和助剂混合溶于有机溶剂中加热进行反应，得到硼咪唑骨架材料；然后将所述硼咪唑骨架材料经煅烧得到氮硼共掺杂碳纳米纤维材料；其中，所述反应物包括锌盐和硼咪唑配体。本发明还提供了该制备方法制得的氮硼共掺杂碳纳米纤维材料及其应用。本发明提供的氮硼共掺杂碳纳米纤维材料拥有丰富的孔结构，合成方法简单、原料易得、成本低廉，环境友好，易于放大生产。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域。更具体地，涉及一种氮硼共掺杂碳纳米纤维材料及其制备方法和应用。

背景技术

化石燃料的大量燃烧和开采使大气中的二氧化碳含量逐年增加，导致全球变暖、海洋酸化、极地冰的融化、海平面上升和物种灭绝。因此，许多研究都集中在开发新的、清洁的、可再生能源上，例如太阳能和风能。但是，由于资源的不可持续性和电力需求的限制，它们不能广泛应用于生活中。目前，由热化学、电化学和光化学驱动的二氧化碳转化为燃料和化学品已受到广泛关注。此外，电化学还原CO₂具有良好的应用前景。这主要是因为它不需要特殊的工作环境，可以在常温常压下进行，并且可以通过调节电压对目标产品进行有效的控制。

在电化学二氧化碳还原中，同时生产CO和H₂(合成气)被认为是非常有益的。通过非均相费托合成，合成气在生产不同衍生燃料方面具有非常重要意义。例如CO/H₂的比例控制在2:1，合成气可以用来生产甲醇；CO/H₂比为1可以用来合成二甲醚。因此，控制目标产物的选择性对CO/H₂的比例起着重要的作用。我们已经了解了许多用于电化学二氧化碳还原的电催化剂，如银(Ag)、钯(Pd)、金属合金，金属络合物。无金属催化剂因其丰富的自然资源、多孔结构、高表面积、耐酸碱、高温稳定性和环境友好性等优点而备受关注，然而利用无金属碳基材料制备比同比例合成气鲜有报道。

因此，本发明提供了一种氮硼共掺杂碳纳米纤维材料及其制备方法和应用，实现无金属电催化剂二氧化碳电还原制备不同比例合成气。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种氮硼共掺杂碳纳米纤维材料。

本发明的另一个目的在于提供一种氮硼共掺杂碳纳米纤维材料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种氮硼共掺杂碳纳米纤维材料的应用。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种氮硼共掺杂碳纳米纤维材料的制备方法，包括如下步骤：

在惰性气体或氮气环境中，将反应物和助剂混合溶于有机溶剂中加热进行反应，得到硼咪唑骨架材料；然后将所述硼咪唑骨架材料经煅烧得到氮硼共掺杂碳纳米纤维材料；其中，所述反应物包括锌盐和硼咪唑配体。

本发明采用锌盐和硼咪唑配体作为反应物，从而由硼咪唑配体(KHB(mim)₃)和四面体Zn²⁺中心构建型硼咪唑骨架。

优选地，所述锌盐和助剂的用量比为4～6mmol:0.4～0.6g，更优选5mmol:0.5g。

优选地，所述锌盐为六水合硝酸锌。

优选地，所述硼咪唑配体为三甲基咪唑硼氢化钾(即KBH(2-methyl-imidazolate)₃)。

优选地，所述反应物中锌盐和硼咪唑配体的摩尔比为2～4:1，更优选为3:1；本发明中优选的硼咪唑配体三甲基咪唑硼氢化钾含有三个氮可以和优选的锌盐六水合硝酸锌中的三个锌离子反应，因此锌盐与硼咪唑配体的比例更优选为3：1。

优选地，所述反应物还包括二甲基咪唑。