[发明专利]一种金属有机框架衍生氮掺杂碳纳米片及其制备方法和应用

说明书

本发明属于无机非金属材料和电化学领域，公开了一种金属有机框架衍生的氮掺杂碳纳米片及其制备方法和应用。所述制备方法为：（1）将锌盐、配体和表面活性剂加入有机溶剂中，搅拌后放入反应釜中，将反应釜置于90~200℃的烘箱中反应，冷却，清洗后于60℃保温24小时以上，获得金属有机框架纳米片；（2）将烘干后的金属有机框架纳米片置于炉膛内，以不同的升温速率升到800~1500℃，保温1~10小时，自然冷却到室温，得到氮掺杂的纳米片。本方法制备简单、操作容易、成本低，获得氮掺杂碳纳米片在超级电容器和水系锌空电池领域具有很高的应用价值。

技术领域

本发明属于无机非金属材料和电化学领域，特别涉及一种金属有机框架衍生氮掺杂碳纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

随着世界可再生能源的减少，人们对于可再生能源的研究、开发和利用越来越完善。金属-空气电池以O₂为正极燃料，锂、镁、铝、锌、镁等金属为负极燃料，成本较低、环境友好且安全性能高，被普遍认为是理想的下一代绿色新能源技术。其中锌金属空气电池因其较高的能量密度（1218 Wh kg^-1），且锌资源丰富，因此在制造、操作和处理过程中的较安全等优点的锌空气电池得到了研究人员的关注。但是制约锌空气电池发展的氧还原反应迟缓，需要高效的催化剂来降低反应能垒以降低阴极的电化学动力学损失。目前大多以Pt类贵金属作为电催化剂，但储量少且价格昂贵，因此开发廉价高效的替代催化剂可以有效的促进锌空气电池的发展。

锌金属有机框架是一种含有金属锌位点和有机配体相互配位形成的新型材料。因其本身含有的金属锌离子和有机配合物双重优势，可以在原位衍生碳材料的基础上，同时起到活化的作用。通过调整有机配体的种类，还可以实现杂原子的自掺杂效果。于此同时，锌金属有机框架还具有丰富的孔道结构，其衍生材料可以遗传其前驱体的结构信息，可以有效的提高衍生材料的活性位点，促进氧还原反应的进行。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种金属有机框架衍生氮掺杂碳纳米片的制备方法，该方法简单且容易操作，具有很好的可扩展性，能够大规模应用，广泛提

高碳片的比表面积、活性位点、循环稳定性和减少体积膨胀。

本发明的另一发明目的是提供了一种上述制备方法制备的金属有机框架衍生的氮掺杂碳纳米片，所述氮掺杂纳米片比表面高，活性位点多，循环稳定性好。

本发明的又一发明目的是提供上述氮掺杂碳纳米片的应用，所述氮掺杂碳纳米片用于超级电容器或水系锌空电池储能领域，可以提高超级电容器的比容量和催化剂的稳定性能。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种金属有机框架衍生的氮掺杂碳纳米片，所述氮掺杂碳纳米片的比表面积为100-1500 cm^-2 g^-1，平均孔径尺寸为3-20 nm。

进一步地，上述氮掺杂碳纳米片由以下成分组成：C 86.0 at.%-97.8 at.%、N 0.2at.%-5.5 at.%和O 2-8.5 at.%。

一种上述金属有机框架衍生的氮掺杂碳纳米片的制备方法，采用以下步骤：

（1）将表面活性剂、配体和锌盐加入有机溶剂中，搅拌完成后；将溶液进行溶剂热反应，反应结束自然冷却到室温，洗涤、干燥，获得浅粉色的金属有机框架纳米片；

（2）将步骤（1）中获得的浅粉色的金属有机框架颗粒置于陶瓷舟内部，将陶瓷舟在保护气下进行碳化和活化处理，得到黑色的氮掺杂碳纳米片。

优选地，步骤（1）所述的金属盐为硝酸锌，所述的配体为氨基对苯二甲酸或对苯二甲酸，所述的有机溶剂为N,N~二甲基甲酰胺溶液；步骤（1）所述锌盐、配体、表面活性剂和有机溶剂的质量体积比为（0.45-2.0）g：（0.3-2.0）g：（0.03-1.0）g：（30-50） mL。

优选地，表面活性剂为氨三乙酸或氨水，但是不限于以上两种。