[发明专利]中空仙人掌状碳片-碳纳米管的制备方法

说明书

本发明公开了一种中空仙人掌状碳片‑碳纳米管的制备方法。所述方法采用聚多巴胺辅助界面诱导策略，将ZIFs转化成中空仙人掌状碳片‑碳纳米管，并应用于电催化过程中。通过协调前驱体Zn和Co²⁺之间的配位以及引入PDA聚合物获得ZIFs@PDA，热解过程中借助于PDA的界面诱导和限域效应，同时实现组分和结构上的合理优化。最后进行酸处理去除Co‑ZIFs@PDA热解衍生碳中的部分金属粒子，得到氮掺杂的中空仙人掌状CS‑CNTs。本发明制备的CS‑CNTs在碱性溶液中具有优异的ORR活性和耐久性。

技术领域

本发明涉及一种中空仙人掌状碳片-碳纳米管的制备方法，具体涉及一种用于电催化氧气还原反应的聚多巴胺辅助诱导MOFs衍生的中空仙人掌状碳片-碳纳米管的制备方法，属于电催化碳材料的制备技术领域。

背景技术

纳米结构碳材料具有优异的热和化学稳定性、易功能化和结构多样性，已应用于许多领域作为吸附、催化和储能/转化材料。目前，碳材料类型包括1D碳纳米管(CNT)，2D石墨烯/碳纳米片(GR/CN)和3D分层多孔碳(HPC)。与1D和3D纳米结构相比，二维纳米材料，特别是掺杂杂原子(N，O，S和P)的，有许多能量储存/转换的优势。首先，2D层结构不仅提供更活跃的位点，而且还减少了电荷和质量的传输路径。其次，其具有成熟的间隙孔的层状结构提供了一种易于接近和功能化的表面。最后，2D结构属性赋予其可变形的特征，使其具有灵活的能量存储/转换设备的潜力。前期研究已经证明，二维碳纳米材料具有优异的电催化性能。但是，繁琐的制备过程极大地限制了二维碳电催化剂在实践中的大规模应用。

利用新兴的金属有机骨架(MOFs)直接热解碳化来制备各种碳材料成为当前的发展热点。采用纳米粒子(NP)，纳米片(NS)，纳米棒(NR)等一系列MOFs作前体可以得到不同功能化的碳材料。使用自我牺牲模板法，MOFs前体的结构和组成直接或间接地决定了所得碳材料的性能。然而，热解过程中前体不可避免的收缩和崩溃摧毁了结构的多样性，进而限制了它们的广泛应用。近期研究发现，以MOFs和聚合物涂层为前体，利用由聚合物前体引起的限域效应，可以实现制备更稳定的结构和多样化组成的MOFs衍生碳。Kang等人通过增加热解过程中ZIF-8中Zn的停留时间来制备多孔ZIF-8衍生的碳催化剂(J.S.Kang,et al,J.Mater.Chem.A,2018,6,20170)，但是未能极大改善ZIF衍生碳的性能。Chen等提出了用MOF@polymer法制备出N，P，S共掺杂空心多面体碳，(Y.Chen,et al,Nat.Commun.,2018,9,5422)，但其合成过程繁琐复杂，所用试剂毒害性大。最重要的是，上述方法基本上都是以颗粒状(立方体，八面体和十二面体)MOF作为自我牺牲模板来制备多孔/中空/蛋黄-壳碳结构材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种简易、高效、高稳定性的中空仙人掌状碳片-碳纳米管的制备方法。该方法在MOF中引入聚多巴胺，借助于聚多巴胺的限域效应和界面诱导进行热解，并采用酸处理方式除去材料中的不稳定的金属粒子，改变了碳复合材料的组成，提高了石墨化程度，保证了ORR过程中结构的稳定性。

实现本发明目的的技术方案如下：

中空仙人掌状碳片-碳纳米管的制备方法，通过一步法合成包裹聚多巴胺的叶片状ZIFs，然后热处理碳化，最后酸处理去除部分不稳定的金属粒子，制得中空仙人掌状碳片-碳纳米管，具体步骤如下：