[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

说明书

本发明公开了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与应用，属于功能纳米材料的制备技术领域。将金属有机骨架前驱体MOF与聚合物充分混合制备纺丝液，借助静电纺丝技术获得MOF纳米颗粒掺杂的聚合物纤维薄膜，通过浸渍使金属离子吸附于纤维表面和内部，进一步在惰性气氛中进行热处理，获得金属/氮掺杂多孔碳基杂化纳米纤维薄膜材料。该方法制备的碳基薄膜材料具有活性位点丰富、导电率高、离子传输通道充足、柔性好及自支撑结构优良等物理特性，在电化学催化反应和电存储的应用中，具备高活性、高容量、高稳定性的优势。整个材料的制备工艺简单，能耗低，环境友好，适合工业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种可作为电化学催化与能源存储材料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规模化制备方法，属于功能纳米材料的制备技术领域。

背景技术

化石能源的过度使用导致环境污染和能源枯竭现象日益严重，因此迫切需要寻求一种清洁能源替代化石能源的使用。燃料电池、金属空气电池、金属离子电池等被认为是理想的下一代能量存储或转换技术。金属空气电池因其高能量密度、低成本、环境友好和安全性而受到越来越多的关注。然而阴极氧还原反应在动力学上非常缓慢，目前商用贵金属催化剂面临着储量低、成本高的缺点，因此，开发高性能、低成本的氧还原催化剂迫在眉睫。锂离子电池具有放电电压高、能量密度高和循环使用寿命长的特点，在便携电子设备领域中得到广泛应用，同时受到如军事、航天、电动汽车等一些高技术应用领域的青睐。因此，探索并设计具有高活性、低成本的电催化剂材料和高容量、长寿命的电池电极材料具有重要的研究意义。

金属有机框架物(MOFs)是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。它具有高孔隙率、低密度、大比表面积、孔道规则、孔径可调、拓扑结构多样性和可裁剪性等优点。MOFs衍生材料(金属氧化物或硫化物)可以保留其前驱体的多孔性，大比表面积以及特定的结构等特点使其作为电池电极材料和电催化材料表现出优异的电化学性能。

静电纺丝是一种简便有效的可生产纳米纤维加工工艺，聚合物溶液在强电场中进行喷射纺丝，固化成纳米级直径的聚合物细丝。基于静电纺丝技术获得的材料具有孔径小、孔隙率高和纤维均匀性好等优异的物理特性。碳化后的纤维成网状互通结构，具有优异的导电性、机械延展性。静电纺丝技术在能源、环境、生物医学和光电等领域得到广泛应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种性能优异、工艺过程简单、可规模化制备的碳基功能纳米材料的合成方法，制备得到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性能稳定、容量高、使用寿命长，不仅在电催化氧还原反应中具有很高的活性，更可以应用于能量存储与转换器件中(例如金属空气电池、金属离子电池、超级电容器等)。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：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该制备方法包括以下步骤：

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，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；