[发明专利]一种复合材料及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种复合材料及其制备方法、应用，所述复合材料包括碳纳米纤维、纳米片和过渡金属纳米粒子；所述纳米片包括碳元素；所述纳米片负载在所述碳纳米纤维上；所述过渡金属纳米粒子分散在所述碳纳米纤维和所述纳米片上。本发明通过静电纺丝技术，制得了催化活性位点原位锚定在碳纤维表面的纤维结构，有利于提高催化剂在金属‑空气电池运行过程中的长期稳定性。

技术领域

本申请涉及一种复合材料及其制备方法和应用，属于金属-空气电池领域。

背景技术

以化石能源为基础的经济带来社会进步的同时也带来了环境污染问题，所以开发利用风能、太阳能、潮汐能等可持续发展的新能源成为国家发展的重大战略目标。但因地域限制与环境影响，这种新能源具有间歇性，无法持续稳定的供应，导致其利用率受限。因此需要开发更优的能源储存与转换设备，其中电化学储能系统通过电化学氧化-还原反应实现电能与化学能的相互转化，如锂离子电池、铅酸电池、金属-空气电池等。而金属-空气电池，尤其是其中的锌空电池，以较高的能量密度和环保低廉的特点被认为是下一代便携式设备中很有前途的装置。目前，由于多电子转移过程缓慢的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)，金属-空气电池面临着能量转换效率低和稳定性差等挑战。虽然贵金属基电催化剂(Pt、Ru、Ir及其合金)是目前最好的氧电催化剂，但其双功能催化能力不足，且稀缺成本高阻碍了大规模的商业应用。因此，研究开发一种高效的非贵金属双功能电催化剂迫在眉睫。

发明内容

本发明针对现有的金属-空气电池空气阴极催化剂性能和稳定性差的问题；提供了一种高效的空气阴极催化剂及其制备方法。通过静电纺丝技术，制得了催化活性位点原位锚定在碳纤维表面的纤维结构，有利于提高催化剂在金属-空气电池运行过程中的长期稳定性。

本申请中的纺丝液由配体和聚合物溶解于有机溶剂所得，设置适当纺丝环境和参数得到配体-聚合物无纺布；将所得无纺布浸入成核-生长金属有机框架的溶液中，利用配体与金属离子的配位结合力在无纺布表面生长一层均匀的有机金属框架材料，得到有机金属框架-配体-聚合物无纺布；将上述材料在惰性气氛下经过管式炉高温碳化得到金属纳米粒子掺杂碳纤维。选取其中的锌空气电池为测试体系，测得其放电容量高达165.5mW cm^-2，运行1000圈(＞160h)后性能无明显衰减。

根据本申请的第一方面，提供了一种复合材料，所述复合材料包括碳纳米纤维、纳米片和过渡金属纳米粒子；所述纳米片包括碳元素；

所述纳米片负载在所述碳纳米纤维上。

优选地，所述碳纳米纤维贯穿所述纳米片。

可选地，所述纳米片与所述碳纳米纤维成角度设置。

优选地，所述角度大于等于0。

所述过渡金属纳米粒子分散在所述碳纳米纤维和所述纳米片上。

可选地，所述复合材料为一维碳纳米纤维上生长二维纳米片，且零维金属纳米粒子均匀分散在一维碳纳米纤维和二维纳米片上。

可选地，在所述复合材料中，所述过渡金属纳米粒子的质量含量为10～15％。

优选地，在所述纳米片中，还包括氮元素。

可选地，所述过渡金属纳米粒子选自钴纳米粒子、锌纳米粒子中的至少一种。

可选地，在所述纳米片中，所述氮元素的质量含量为1～5％。

根据本申请的第二方面，提供了一种上述复合材料的制备方法，所述方法包括：

(1)获得含有聚合物和配体I的纺丝液，纺丝，得到配体I-聚合物无纺布；

(2)将所述步骤(1)得到的配体I-聚合物无纺布、过渡金属纳米粒子源和配体II混合，生长，得到在所述配体I-聚合物无纺布上生长金属-有机框架材料的中间产物；