[发明专利]铁钴磷氮掺杂碳纳米纤维的制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种铁钴磷氮掺杂碳纳米纤维的制备方法和应用，所述方法包括下述步骤：(1)将聚丙烯腈加到N,N‑二甲基甲酰胺溶液中，溶解后加入乙酸钴，混合后得到电纺溶液，静电纺丝后得到乙酸钴‑聚丙烯腈纤维薄膜；(2)将铁氰化钾水溶液加入到乙酸钴‑聚丙烯腈纤维薄膜有机溶液中，混合后进行反应，将产物干燥后得到乙酸钴‑聚丙烯腈@铁氰化钴纤维；(3)将步骤(2)所得纤维在惰性气氛中煅烧，碳化后得到钴铁氮掺杂碳纳米纤维；(4)将钴铁氮掺杂碳纳米纤维磷化后，得到铁钴磷氮掺杂碳纳米纤维。本发明所得材料催化活性位点多，具有较低的过电位，较大的析氢产率和较高的稳定性，制备方法成本低、操作简单，具有普遍的适用性。

技术领域

本发明涉及功能材料领域，主要涉及电催化析氢电极材料领域，具体涉及一种铁钴磷氮掺杂碳纳米纤维的制备方法和应用。

背景技术

对于电解水制氢，研究的关键是提高电催化材料活性与稳定性，以及降低电催化析氢析氧的过电位。贵金属铂是目前为止公认的最有效的析氢析氧电催化剂，但由于其制备成本高，资源储备有限，所以铂作为催化剂的规模化生产受到了严重的限制。因此，找到一种稳定、高效、价格低廉和环境友好的电催化材料以提高电解水工业的电能利用率具有非常重要的意义。

目前碳材料负载在催化剂方面要有较好的性能，大量的活性位点和质量、电荷传输是至关重要的，因此碳负载的催化剂性能，主要受其结构形貌的影响，纳米纤维由于长径比和比表面积大、机械性能优异，因此在电子、生物探针，尤其是在环境和能源领域得到了广泛的研究。碳纳米纤维作为候选材料具有优异的应用，如电极材料，交换膜，催化剂，传感器，微电子元件，燃料电池等。碳纳米纤维是目前研究的热点，具有相当大的商业开发潜力。

鉴于上述情况，由于类普鲁士蓝结构的可调性，使其具有特别广泛的应用，包括气体捕获、储能、催化等领域。最近，类普鲁士蓝材料的合成及其衍生的纳米材料为获得卓越的析氢反应(HER)提供了机会。类普鲁士蓝材料衍生的催化剂，由于大的比表面积和不同孔隙结构，使其在催化和能源储存方面有很好的应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：尽管很多类普鲁士蓝材料所衍生的碳材料已被作为电极催化剂应用在燃料电池领域，但与商业Pt/C催化剂相比，在析氢反应方面大部分材料表现出较差的电催化性能。类普鲁士蓝材料及其衍生物目前也面对着一些挑战，例如，稳定性差、析氢产物较少、析氢转化率不高等缺点，如何提高类普鲁士蓝材料及其衍生物的电催化析氢反应(HER)性能，是目前亟待解决的问题。

本发明的目的是：通过设计材料的形貌和碳氮掺杂、磷掺杂来提高电催化性能，具体的，提供一种简单高效的制备方法，以合成具有特殊结构的纳米材料，并确保该材料具有较大的析氢产率和较高的比表面积、较高的稳定性，以满足其在催化和能源等领域的应用。

为解决上述技术问题，本发明提供一种铁钴磷氮掺杂碳纳米纤维，即析氢反应(HER)电催化剂的制备方法，使其原料便宜、简单易行、析氢产率大和结构均一，与传统的纳米颗粒直接煅烧所衍生的金属合金碳氮颗粒材料相比，本发明利用静电纺丝技术和自模板法制备的铁钴磷氮掺杂碳纳米纤维结构，有更好的电催化活性和更高的析氢产率，同时在能源储存和转换等领域拥有更大的应用前景。

具体来说，针对现有技术的不足，本发明提供了如下技术方案：

一种铁钴磷氮掺杂碳纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将聚丙烯腈加到N,N-二甲基甲酰胺溶液中，溶解后，加入乙酸钴，混合后得到电纺溶液，静电纺丝后得到乙酸钴-聚丙烯腈纤维薄膜；

(2)将铁氰化钾水溶液加入到乙酸钴-聚丙烯腈纤维薄膜有机溶液中，混合后进行反应，将产物干燥后得到核壳结构的乙酸钴-聚丙烯腈@铁氰化钴纤维；

(3)将步骤(2)所得纤维在惰性气氛中煅烧，碳化后得到钴铁氮掺杂碳纳米纤维；

(4)将所述钴铁氮掺杂碳纳米纤维磷化后，得到所述铁钴磷氮掺杂碳纳米纤维。