[发明专利]一种负载型多孔N掺杂碳纳米材料及制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种负载型多孔N掺杂碳纳米材料及其制备方法和应用，包括如下步骤：(1)合成ZIF‑8，合成过程中采用分散剂；(2)ZIF‑8与镍盐发生吸附反应得到Ni‑ZIF‑8；(3)将Ni‑ZIF‑8、钴盐、2‑甲基咪唑合成得到Ni‑ZIF‑8@ZIF‑67；(4)煅烧Ni‑ZIF‑8@ZIF‑67，冷却后得到负载型多孔N掺杂碳纳米材料；所得纳米材料的基体为多孔N掺杂碳材料，基体的构型为多面体纳米框体结构；基体的构型表面负载有颗粒物，颗粒物的成分包括NiCo纳米合金颗粒。本发明由MOF材料衍生法制备。用于电解水催化材料，当电流密度为10mA cm^‑2时，HER反应的过电位为98mV，OER反应的过电位为195mV。

技术领域

本发明涉及碳纳米材料技术领域，具体涉及一种负载型多孔N掺杂碳纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源危机和全球变暖的挑战促使人们对水分解的过程进行科学探索。通过电解水中析氢反应(HER)获得氢气是一种高效和环保的方法，而氢气因其燃烧无污染和高能量密度被认为是取代传统化石燃料最有前景的能源之一。

然而，许多电催化剂在电解水析氢过程中具有较高的过电位和较大的Tafel斜率，这使它们表现出缓慢的HER动力学。并且在探索水分解的过程中，析氧反应(OER)由于其复杂的四电子转移过程导致动力学迟滞，这也是电解水的瓶颈，因此，迫切需要探索具有优异HER、OER性能的双功能电催化剂。

发明内容

为了解决现有催化材料HER、OER性能不佳的技术问题，而提供一种负载型多孔N掺杂碳纳米材料及其制备方法和应用。本发明方法通过多孔结构和钴镍掺杂显著提高催化材料的HER活性以及OER性能。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种负载型多孔N掺杂碳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将锌盐、2-甲基咪唑、分散剂溶于醇类溶剂中，混合均匀后静置老化，然后进行分离、洗涤、干燥得到ZIF-8；

(2)将所述ZIF-8分散在含有镍盐的醇类溶剂中，室温下搅拌发生吸附反应，然后进行分离、洗涤、干燥得到Ni-ZIF-8；

(3)将所述Ni-ZIF-8、钴盐、2-甲基咪唑溶于醇类溶剂中，室温下搅拌发生反应，然后进行分离、洗涤、干燥得到Ni-ZIF-8@ZIF-67；

(4)将所述Ni-ZIF-8@ZIF-67进行煅烧，冷却后得到负载型多孔N掺杂碳纳米材料；

所述纳米材料的基体为多孔N掺杂碳材料，所述基体的构型为多面体纳米结构；所述基体的构型表面负载有颗粒物，所述颗粒物的成分包括NiCo纳米合金颗粒，还包括Ni和/或Co的氧化物中的一种或几种。

进一步地，所述锌盐为硝酸锌；所述镍盐为氯化镍、乙酰丙酮镍、硝酸镍中的一种；所述钴盐为硝酸钴、氯化钴中的一种；所述醇类溶剂为甲醇和/或乙醇；所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。

进一步地，步骤(1)中所述静置老化的过程是在常温下静置20～23h。

进一步地，步骤(2)所述吸附反应的时间为0.5h；步骤(3)所述交换反应的时间为24h；所述干燥是在60℃下干燥10-12h。

进一步地，步骤(4)所述煅烧的条件为在加热速率为2-10℃/min下于流动的N₂中加热至850℃以上煅烧2h。

进一步地，步骤(1)中所述锌盐、所述2-甲基咪唑、所述分散剂、所述醇类溶剂的用量比例为(1.5-1.8)g:(1-2)g:(3-4)g:100mL；

步骤(2)中所述ZIF-8、所述镍盐、所述醇类溶剂的用量比例为(0.2-0.4)g:(0.05-1)g:7.5mL；