[发明专利]金属盐辅助快速生长金属有机骨架衍生物的制备方法

说明书

本发明提供一种金属盐辅助快速生长金属有机骨架衍生物的制备方法，属于纳米材料制备和燃料电池催化技术领域。该方法首先将金属盐和高分子聚合物加入有机溶剂中，搅拌得到混合溶液，采用静电纺丝技术得到金属盐/高分子纳米纤维膜，然后将含有金属有机骨架MOF生长所需的有机配体溶液均匀涂覆在金属盐/高分子纳米纤维膜上，然后通过热压技术实现纳米纤维中的金属离子与配体的化学键结合，使得MOF材料在纳米纤维膜上致密均匀生长，MOF/纳米纤维膜在惰性气体下煅烧后形成金属嵌入的氮掺杂多孔碳纳米纤维。该方法在制备过程中无甲醇、乙醇、水等溶剂的使用，制备时间短、工艺简单、对环境友好、适合规模化生产，在能源催化与环保领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备和燃料电池催化技术领域，特别是指一种金属盐辅助快速生长金属有机骨架衍生物的制备方法。

背景技术

开发高活性的非贵金属基催化剂替换传统昂贵铂基催化剂至关重要且一直存在众多挑战。研究表明高的比表面积、分层的孔道结构、高活性位点、均匀的杂原子掺杂以及高电导率是获得优异电催化性能的关键因素。具有超分子结构的金属有机骨架(MOF)由金属离子和有机配体组成，在惰性气氛中通过简单的碳化可转化为高比表面积、高活性位点、均匀杂原子修饰的多孔碳。基于上述因素，MOF衍生碳的电催化剂备受关注。然而，MOF衍生的碳基电催化剂结构单一、导电网络不连续、负载金属纳米颗粒团聚、机械稳定性差等问题，影响了其实际应用。

一维碳纳米纤维材料因其优异的导电性、柔韧性、可实现MOF的均匀负载等特性，将纳米纤维材料与MOF材料相结合解决了MOF本身存在的问题，在提高电催化性能和柔性器件方面具有一定优势。目前MOF和纳米纤维的结合方式已得到广泛的研究，主要通过二次生长、原位晶化、层沉积制备金属有机骨架/纳米纤维膜。其中，二次生长和原位晶化法需消耗大量的溶液并产生大量的废液，这极大地阻碍了MOF材料的大规模生产和工业应用；层沉积法设备相对昂贵，并且目前大规模商业应用受到限制。

热压法具有制备简单、易规模化生产、环境友好等优点，在热压过程中高分子聚合物中的配位基团与MOF中金属离子发生强化学键的作用，同时金属离子与有机配体自组装，实现MOF颗粒均匀地分散在PAN纳米纤维上。在惰性气氛中通过简单的碳化可转化为金属嵌入的氮掺杂多孔碳纳米纤维材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种金属盐辅助快速生长金属有机骨架衍生物的制备方法。在制备过程中无甲醇、乙醇、水等溶剂的使用，制备时间短、工艺简单、对环境友好、适合规模化生产，在能源储存领域具有重要的应用价值。

该方法首先将金属盐和高分子聚合物加入有机溶剂中，充分搅拌得到混合溶液，采用静电纺丝技术得到金属盐/高分子纳米纤维膜，然后将含有金属有机骨架MOF生长所需的有机配体溶液均匀涂覆在金属盐/高分子纳米纤维膜上，然后通过热压技术实现纳米纤维中的金属离子与配体的化学键结合，使得MOF材料在纳米纤维膜上致密均匀生长，MOF/纳米纤维膜在惰性气体下煅烧后形成金属嵌入的氮掺杂多孔碳纳米纤维。

具体包括步骤如下：

(1)将合成目标MOF的金属盐和高分子聚合物加入有机溶剂中，搅拌后得到均匀混合溶液，利用静电纺丝技术得到金属盐/高分子纳米纤维膜；

(2)按照有机配体与金属盐的质量比为2～10的比例，将含有目标MOF的有机配体溶液涂覆在金属盐/高分子纳米纤维膜上，通过热压技术给上述材料施加一定的温度和压力，金属离子与配体开始在纳米纤维膜表面组装，生长成均匀的MOF/高分子纳米纤维膜；

(3)MOF/高分子纳米纤维膜在惰性气体下煅烧后形成金属嵌入的氮掺杂多孔碳纳米纤维。

其中，步骤(1)中金属盐和高分子聚合物的质量比为0.5～2.0；高分子聚合物与有机溶剂的质量比为0.7～1.5。