[发明专利]一种由金属单原子及其金属衍生物负载的多孔碳基纳米纤维薄膜材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种由金属单原子及其金属衍生物负载的多孔碳基纳米纤维薄膜材料的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：

a、将金属盐Zn(NO₃)₂与2-甲基咪唑分别溶于甲醇，在室温下搅拌混合，使用甲醇洗涤离心后的产物，真空干燥后获得白色粉末固体ZIF-8；

b、将步骤a中获得的ZIF-8溶于N,N-二甲基甲酰胺，室温下充分搅拌形成白色溶液；将聚合物聚丙烯腈PAN加入上述溶液，使得PAN与ZIF-8的质量比：PAN:ZIF-8＝1～4:1～5；充分搅拌混合≥24h，制备出纺丝液；通过使用静电纺丝技术，得到ZIF-8纳米颗粒掺杂的聚合物纤维薄膜PAN/ZIF-8；

c、将纤维膜PAN/ZIF-8浸泡在不同浓度金属盐的甲醇溶液中，所述的金属盐为Fe(NO₃)₃、Co(NO₃)₂或Ni(NO₃)₂，浸泡1～5h后真空干燥，获得金属离子吸附的PAN/ZIF-8/Fe、PAN/ZIF-8/Co、PAN/ZIF-8/Ni，随后进行热处理，升温速率为2～10℃/min，温度≥500℃，保持1～5h，得到金属单原子或其金属衍生物负载的多孔碳基纳米纤维薄膜；

其中，将纤维膜PAN/ZIF-8静置在0.1～1g L^-1Fe(NO₃)₃、Co(NO₃)₂、Ni(NO₃)₂甲醇溶液中，经后续操作可获得金属单原子负载氮掺杂碳纳米纤维SA-Fe-N-C、SA-Co-N-C、SA-Ni-N-C；

将纤维膜PAN/ZIF-8静置在1～3g L^-1Fe(NO₃)₃的甲醇溶液中，经后续操作可获得金属碳化物纳米颗粒负载氮掺杂碳纳米纤维NP-Fe_xC-N-C；

将纤维膜PAN/ZIF-8静置在4～6g L^-1Fe(NO₃)₃的甲醇溶液中，经后续操作可获得碳纳米管包覆金属衍生物负载的氮掺杂碳纳米纤维CNT@Fe_xC-N-C；

将纤维膜PAN/ZIF-8静置在4～6g L^-1Co(NO₃)₂、Ni(NO₃)₂的甲醇溶液中，经后续操作可获得金属单质纳米颗粒负载的氮掺杂碳纳米纤维NP-Co-N-C、NP-Ni-N-C。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤a中所用的金属盐与有机配体的质量比：Zn(NO₃)₂:2-甲基咪唑＝1:8。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤b中的静电纺丝过程中，使用10mL注射器，静电纺丝电压设置为13kV，推进速度设置为：1mL h^-1。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤c中的热处理条件的惰性气体为氮气或氩气。

5.一种根据权利要求1所述的制备方法制得的金属单原子及其金属衍生物负载的多孔碳基纳米纤维薄膜材料的应用，其特征在于：所述SA-Fe-N-C、SA-Co-N-C、SA-Ni-N-C、NP-Fe_xC-N-C、CNT@Fe_xC-N-C、NP-Co-N-C或NP-Ni-N-C在电催化、金属空气电池、金属离子电池、超级电容器能源存储与转换的应用。