[发明专利]一种高比表面积和高氮掺杂碳纳米棒及其简易制备和应用

说明书

本发明涉及一种可应用于锌空气电池正极催化剂的高比表面积和高氮掺杂含量碳纳米棒及其简易制备方法，其为树脂基碳纳米棒和沸石咪唑酯骨架衍生碳材料的复合物，长度为2‑4μm，氮含量为10.29％，表面含有微孔，其比表面积为478.7m²g^‑1，其内部分散有均匀的钴量子点。本发明与现有技术相比，具有如下优势：合成工艺简单，成本低廉；一维结构和原位高掺杂N含量可有效提高材料的导电性和电化学性能；Co量子点在纳米棒中可均匀分布，提供了更多的催化活性位点；Zn/Co‑Zif衍生的微孔碳粒径在80nm左右，嵌入碳纳米棒使其避免了团聚现象的发生。

技术领域

本发明属于电催化领域，具体涉及一种可应用于锌空气电池正极催化剂的高比表面积和高氮掺杂含量碳纳米棒及其简易制备方法。

背景技术

沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)是由过渡金属和咪唑或其衍生物配体在有机溶剂中反应生成一种具有类沸石骨架结构的MOFs材料。ZIFs材料结合了沸石及MOFs这两种材料的优点：高热稳定性和化学稳定性以及结构和功能可调。目前已广泛应用于气体吸附分离、离子交换、化工催化等领域。为了获得更高的比表面积和更多的催化活性位点，将ZIFs材料纳米化是一种常用的思路，但是当纳米级的ZIFs颗粒小于100nm时，其团聚现象十分严重。

目前，解决上述问题的有效方法是将处于纳米尺度的ZIFs颗粒负载到泡沫镍，碳布等材料上。基体材料可以有效减小电子的传输路径，降低传输阻力，增加材料的导电性。另外，负载到碳布等材料上的ZIFs颗粒很容易从基底材料上脱落，造成稳定性降低。Lu等人(Adv.Mater.2018,1805268)成功将Zn/Co ZIFs颗粒负载到碳布上，并覆盖一层Al₂O₃薄膜来增加其稳定性。目前碳布使用前大多需要用硝酸和硫酸对碳布进行预处理，合成条件较为严苛，成本较高；并且ZIFs颗粒并不能保证结合稳定不脱离碳布。因此，合成一种ZIFs颗粒稳固嵌入一维结构的碳材料就显得尤为重要。

氧气还原反应(ORR)是燃料电池和金属空气电池最重要的反应，该反应是限制锌空气电池商业化应用的重要因素，也是整个电池极化的主要来源；由于锌空气电池基本没有自放电现象，电压稳定，现已初步应用于高级助听器，电动汽车等领域，因此研究高性能的锌空气电池正极反应的催化剂对于进一步推广其商业化应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、条件温和、价格低廉、电化学性能优异的高比表面积和高氮掺杂含量碳纳米棒及其简易制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：高比表面积和高氮掺杂含量碳纳米棒，其为树脂基碳纳米棒和沸石咪唑酯骨架衍生碳材料的复合物(CNR@Co-ZDC)，长度为2-4μm，氮含量为10.29％，表面含有微孔，其比表面积为478.7m²g^-1，其内部分散有均匀的钴量子点。

所述的高比表面积和高氮掺杂含量碳纳米棒的简易制备方法，包括有以下步骤：

1)将酚源和醛源按一定比例溶解，加入表面活性剂和催化剂搅拌均匀后，加热反应，离心、洗涤、干燥后得到六方型树脂纳米棒(Resin nanorod，RNR)；将得到的六方型树脂纳米棒与一定量的六水合硝酸锌和六水合硝酸钴在甲醇溶液中混合均匀，加入一定浓度的二甲基咪唑的甲醇溶液，室温充分搅拌，制得均匀分散锌/钴-沸石咪唑酯骨架(Zn/Co-Zif)纳米晶嵌入树脂棒的复合材料(RNR@Zn/Co-Zif)；

2)步骤1)所述的均匀分散Zn/Co-Zif纳米晶嵌入树脂棒的复合材料在惰性气氛下碳化，得到高比表面积和高氮掺杂含量一维碳纳米棒CNR@Co-ZDC(树脂基碳纳米棒和沸石咪唑酯骨架衍生碳材料的复合物)。

按上述方案，步骤1)所述的酚源为间氨基苯酚，所述的醛源为六亚甲基四胺，所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，所述的催化剂为氨水。