[发明专利]一种静电纺丝制备金属-氮分子/石墨烯/碳纳米纤维复合材料的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种静电纺丝制备金属‑氮分子/石墨烯/碳纳米纤维复合材料的方法及其应用，将含有金属、氮元素的前驱体、石墨烯、高分子聚合物配成纺丝溶液进行静电纺丝，获得金属‑氮分子/石墨烯/聚合物复合纳米纤维膜；然后将所得的复合纳米纤维膜依次进行预氧化、碳化处理，即得到具有比表面积大、富含微孔和介孔、形貌均一等特点的金属‑氮分子/石墨烯/碳纳米纤维复合材料，可以作为氧还原和二氧化碳还原双功能催化剂，具有制备工艺简单、成本低、易于回收，性能优异等特点。

技术领域

本发明涉及一种静电纺丝制备金属-氮分子/石墨烯/碳纳米纤维复合材料的方法及其应用，属于新能源领域。

背景技术

随着时代的不断发展，对能源的需求也在日益增长，长此以往必将导致地球储存的化石能源日渐枯竭，同时伴随着化石能源的大量使用，CO₂的大量排放使得温室效应加剧，恶化地球环境。因此，如何开发清洁、可靠的新能源以及减少CO₂排放都是目前迫在眉睫的问题之一。

近来，视为化石能源的替代者之一，燃料电池和金属空气电池备受关注。然而，无论是燃料电池还是金属空气电池，都深受氧还原反应(ORR)缓慢动力学的限制，严重阻碍其进一步的发展。为了解决这一问题，ORR催化剂地开发成为了新一代能源地关键。就目前来看，传统的铂基催化剂在性能上仍旧占据优势地位，但其高昂的成本和储量的稀少难以支撑大规模的商业应用。由于这些原因，目前已经开发出多种优异的无贵金属的电催化剂，其中包括过渡金属大环化合物、金属氧化物、金属硫化物以及以M-Nx结构为活性位点的过渡金属催化剂。但是，与铂基催化剂相比，其性能与产量都难有较大的突破，故仍是当前研究的热点之一。

同时，为了减少大气中的CO₂含量，将其转化为可再利用的有效能源，CO₂电催化还原(CO2RR)是目前主要研究方向之一。CO₂电催化还原是利用电能将CO₂高能量密度地转换为CO、甲烷、甲酸、甲醇、乙烯、乙烷等燃料和有用工业化学品的反应。它具有适当的效率、可控的选择性、简单的反应单元以及巨大的实际工业应用潜能。纯石墨烯具有非常小的CO₂电催化还原性能，但通过在合成或预处理过程中将杂原子(例如：N、S、P、B)或者金属单原子(Fe、Co、Ni、Cu)掺杂到石墨烯的石墨结构中，能够有效地改变石墨烯的结构和化学状态，为反应物和中间物提供改性的结合位点，从而将惰性石墨烯转变为具有一定CO₂还原活性的石墨烯。

一维纳米材料，尤其是复合一维纳米线，由于其独特的特性和在许多领域的引人入胜的应用，在材料科学领域引起了极大的兴趣。而在以线、带、棒、管和环形式制造和组装一维纳米结构的方法中，静电纺丝在柔韧性、多功能性和纤维生产简易性方面具有其独特的优势，特别是它允许制造具有直径低至几个纳米的范围。通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域的最重要的学术与技术活动之一。静电纺丝并以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。静电纺丝技术已经制备了种类丰富的纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。

发明内容

本发明针对目前存在的现状问题，提供了一种静电纺丝制备金属-氮分子/石墨烯/碳纳米纤维复合材料的方法及其在ORR、CO2RR电催化中的应用。

传统的催化剂一般需要气体扩散层(如碳纸)作为支撑层，存在涂敷催化剂的附着力不强和不均匀和提高成本等问题。本发明的纳米静电纺丝催化剂(金属-氮分子/聚合物复合纳米纤维膜材料、金属-氮分子/石墨烯/碳纳米纤维复合膜材料)同时具有气体扩散自支撑和催化剂的双功能，是自支撑的催化剂，另外，能单一催化ORR或CO2RR，也可以同时催化ORR或CO2RR，是双功能催化剂。