[发明专利]一种单原子金属掺杂碳纳米纤维膜及其制备方法

说明书

本发明涉及单原子金属催化剂及其制备技术领域，公开一种单原子金属掺杂碳纳米纤维膜及其制备方法。该方法首先制得含有金属盐的含氮聚合物溶液，随后将所得溶液经过静电纺丝获得金属盐掺杂的聚合物纤维膜，然后通过稳定化、碳化得到单原子金属掺杂的碳纳米纤维膜。本发明制备的单原子金属掺杂的碳纳米纤维膜中单原子金属的含量可控，质量含量可以高达30wt％，单原子金属通过氮配位或者氮氧共配位来稳定。本发明可用于碳负载高含量单原子金属催化剂的制备。

技术领域

本发明涉及单原子金属催化剂及其制备技术领域，尤其涉及一种以含氮高分子聚合物和金属盐为原料利用静电纺丝、碳化处理制备自支撑的高含量单原子金属掺杂碳纳米纤维膜及其制备方法。

背景技术

单原子金属催化剂具有高活性、高金属利用率，在电催化、工业催化、能源转化和储存等领域均具有广泛的应用前景。单原子金属的表面能很高，不能单独存在，必须负载于氧化铝、氧化硅、氧化铁、碳等载体上。碳材料具有高的表面积、优异的电子导电性、稳定的物理化学性质、良好的结构可调性，因此碳材料作为载体不仅能为单原子金属提供充足的分散位点，而且能与金属原子产生强烈的界面相互作用抑制其团簇。目前单原子金属掺杂碳材料材料的制备方法主要为原子层沉积法、化学气相沉积法、湿化学法金属有机框架衍生法以及高能球磨法。

然而，单原子掺杂的碳材料面临很多问题：一、金属原子掺杂含量低，一般小于1.5wt％,难以满足在催化以及能源存储与转化领域的实际应用。二、金属原子的掺杂含量难以实现可控制备。控制金属原子含量，制备一系列不同含量的金属单原子，有助于提升金属原子的利用率。三、目前的制备方法比较复杂，单原子掺杂的碳材料的难以大规模生产。四、目前所合成的金属单原子掺杂碳材料一般呈粉末状，难以合成自支撑的金属单原子掺杂碳膜。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是设计一种单原子金属掺杂的碳纳米纤维膜，并提供了其制备方法。所制备的膜中单原子金属负载量可以调控，质量含量高，单原子金属可以通过氮配位或氮氧共配位来稳定。具体按下列方法制得：

步骤一：按质量比1：0.001～1.0取含氮高分子聚合物与金属盐，将其溶于溶剂中，设定温度下反应0～24小时形成纺丝溶液。

步骤二：将步骤一所得纺丝溶液进行静电纺丝，得到金属/聚合物纳米纤维膜。

步骤三：将步骤二所得金属/聚合物纳米纤维膜进行稳定化、碳化后得到高含量单原子掺杂的碳纳米纤维薄膜。

本发明进一步的优选方案是：

步骤一中，所述金属盐取自铁盐、铋盐、钴盐、镍盐、铜盐、锡盐、锰盐、锌盐中的一种或多种。

步骤一中，所述含氮高分子聚合物为聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯吡啶、聚氨酯、聚酰亚胺、聚乙烯亚胺、聚酰胺中的一种。

步骤一中，所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、乙醇、去离子水、丙酮、甲醇、乙二醇、二氯甲烷、四氯化碳、氨水中的一种。

步骤一中，所述设定温度为25～60℃。

步骤二中，所述的静电纺丝的电压为5～25kV，接收距离为10～30cm；静电纺丝喷头的内径为0.1～0.6mm，静电纺丝的推进速度为0.1～5mL/h；

步骤三中，所述稳定化是将金属/聚合物纳米纤维膜在空气中以1～10℃/min的升温速率加热至150～280℃，并保温0-120min；

步骤三中，所述碳化是将稳定化后的金属/聚合物纳米纤维膜在氮气或氩气的气氛下以1～5℃/min的升温速率加热至500～1000℃，并保温0～180min。