[发明专利]一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料、制备方法及其应用

权利要求书

1.一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料，其特征在于：所述材料以N掺杂碳纳米纤维为基体，基体表面上负载有N掺杂的碳纳米片阵列，碳纳米片阵列上生长有N掺杂的碳纳米管，N掺杂的碳纳米管中封装有Co纳米粒子；所述材料中Co元素含量为2wt％～3wt％，N元素含量为6at％～10at％，比表面积为350m²g^-1～700m²g^-1，微孔、介孔和大孔均有分布且具有柔性。

2.一种如权利要求1所述的柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

(1)将ZnO和聚丙烯腈溶于溶剂中，搅拌混合均匀后得到纺丝溶液，对所述纺丝溶液进行静电纺丝，得到ZnO/PAN纤维膜；

(2)将所述ZnO/PAN纤维膜浸入的2-甲基咪唑溶液中10min～20min，然后加入锌盐和钴盐的金属盐混合溶液，搅拌反应40min～60min，反应结束后，洗涤、冷冻干燥，得到CoZn-ZIF@ZnO/PAN；其中，ZnO/PAN纤维膜和2-甲基咪唑的质量比为0.2～0.4:1；2-甲基咪唑和金属盐总量的摩尔比为4～8:1；锌盐和钴盐的摩尔比为1:1～3:1；

(3)将三聚氰胺和所述CoZn-ZIF@ZnO/PAN分别放入管式炉的上下游，然后通入氮气，首先升温至300℃～350℃保温2h～4h；然后升温至900℃～950℃保温2h～4h；保温结束后，在2M～4M的硝酸溶液中浸泡24h～48h，浸泡结束后，洗涤、冷冻干燥，得到一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料；其中，三聚氰胺质量为CoZnZIF@ZnO/PAN膜质量的1倍～4倍。

3.如权利要求2所述的一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，ZnO和聚丙烯腈质量比为0.1:1～2:1；聚丙烯腈重均分子量为5万～20万。

4.如权利要求2所述的一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述溶剂为DMF。

5.如权利要求2所述的一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，静电纺丝时，纺丝溶液中聚丙烯腈浓度为0.1g/mL～0.15g/mL；正压为16KV～20KV，负压为1KV～1.5KV；推注速度0.18mm/min～0.24mm/min；接收距离为16cm～20cm。

6.如权利要求2所述的一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述锌盐和钴盐均为硝酸盐。

7.如权利要求2所述的一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，升温速率为2℃/min～5℃/min。

8.如权利要求2所述的一种柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，ZnO和聚丙烯腈质量比为0.1:1～2:1；聚丙烯腈重均分子量为5万～20万；所述溶剂为DMF；静电纺丝时，纺丝溶液中聚丙烯腈浓度为0.1g/mL～0.15g/mL；正压为16KV～20KV，负压为1KV～1.5KV；推注速度0.18mm/min～0.24mm/min；接收距离为16cm～20cm；

步骤(2)中，所述锌盐和钴盐均为硝酸盐；

步骤(3)中，升温速率为2℃/min～5℃/min。

9.一种如权利要求1所述的柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料的应用，其特征在于：所述材料作为ORR/OER双功能催化剂使用。

10.一种如权利要求1所述的柔性自支撑Co嵌入N掺杂的三维多孔碳基材料的应用，其特征在于：所述材料作为锌空气电池的自支撑催化剂电极使用。