[发明专利]金属有机骨架为模板的氮掺杂多孔碳材料及其应用

说明书

本发明涉及金属有机骨架为模板的氮掺杂多孔碳材料及其应用。采用的技术方案是：将Ni(NO₃)₂，有机配体H₆TATIP，N,N‑二甲基甲酰胺和H₂O加入到容器中，于常温下搅拌；将容器密封后，置于烘箱中，于358K下，保持3‑4天；缓慢冷却到室温，得到绿色晶体，洗涤、过滤并干燥，将得到的晶体置于真空管式炉中在氩气保护氛围中800℃，3小时条件下得到的碳化物做为模板将N元素掺杂其中，再进一步高温碳化得到目标产物。本发明所制备的金属有机骨架为模板的氮掺杂的多孔碳材料电化学活性强，有利于提高燃料电池阴极氧还原反应效率。

技术领域

本发明涉及一种碳材料，具体的说，涉及一种具氧还原活性的基于金属有机骨架为模板的N掺杂多孔碳材料材料。

背景技术

在过去的几十年，金属有机骨架(MOFs)作为一种功能性材料被广泛研究，MOFs具有大的比表面积和更高的孔隙率。结构及功能更加多样，可应用于分离，离子交换，气体存储和荧光传感器。最近几年，MOFs被用作模板或前驱体来合成氮掺杂的多孔碳材料，并由于他多样的孔结构和高的碳含量引起人们广泛的关注。它表现出高的导电活性，抗腐蚀性，良好的表面性能并且成本低。因此，氮掺杂的多孔碳材料具有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是利用MOFs作为模板，在一定的高温条件下，将其碳化，再进行氮元素掺杂，合成金属有机骨架为模板的N掺杂多孔碳材料。

本发明采用的技术方案如下：金属有机骨架为模板的氮掺杂多孔碳材料，包括以下合成步骤：

1)将Ni(NO₃)₂、有机配体H₆TATIP、N,N-二甲基甲酰胺和H₂O加入到容器中，于常温

下搅拌；

所述的有机配体H₆TATIP的结构式如下：

2)将容器密封后，置于烘箱中，于358-368K下，保持3-4天；

3)缓慢冷却到室温，静置至少1天，得到晶体，将晶体洗涤、过滤并干燥；

4)将干燥后的晶体置于氩气氛围的高温管式炉中，于800℃，加热3-4小时，冷却至室温，得碳化物；

5)将得到的碳化物，用稀盐酸洗涤，再用蒸馏水洗至中性，真空干燥3～5小时；

6)将干燥后的碳化物浸泡于含有氮源的甲醇溶液中，室温浸泡12小时，洗涤，干燥；

7)将干燥后的产物再于充满氩气的真空管式炉中，于900℃下，加热1小时，冷却至室温得到目标产物。

上述的金属有机骨架为模板的氮掺杂多孔碳材料，按摩尔比，Ni(NO₃)₂:有机配体H₆TATIP＝1:0.1-0.2。

上述的金属有机骨架为模板的氮掺杂多孔碳材料，所述的氮源为尿素。

上述的金属有机骨架为模板的氮掺杂多孔碳材料在燃料电池中的应用。优选的，所述的金属有机骨架为模板的氮掺杂多孔碳材料作为阴极氧还原反应催化剂修饰在工作电极上。方法如下：将无水乙醇和全氟磺酸滴加到上述的金属有机骨架为模板的氮掺杂多孔碳材料中，超声分散，得到墨黑色溶液，将配制的墨黑色溶液滴涂在玻碳电极上，室温下晾干。

本发明合成出的金属有机骨架为模板的N掺杂多孔碳材料，为具有均一孔结构的空心球体，直径约为8.25nm，不含有金属纳米粒子，空心碳边缘环绕着大量石墨化碳纳米结构，且在扫描电镜下具有清晰可见的晶格，晶格间距大约为0.284nm。