[发明专利]一种氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，具体涉及一种氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维及其制备方法。

背景技术

随着全球经济的快速增长，能源和环境问题已日益成为全人类关注的两大焦点问题。目前的能源主要仍是煤、碳、石油等传统的化石能源，而这些能源的存储量有限，随着这么多年不间断的消耗，化石能源已接近枯竭。并且，化石燃料在燃烧时会生成CO、SO₂等污染物，对空气造成严重污染。因此，为了解决能源危机和缓解环境污染的压力，寻求可持续的、环境友好的替代能源迫在眉睫。燃料电池作为新一代能源体系，具有能量效率高、无污染、来源丰富等优点，已成为学术界研究的热点，然而，尽管燃料电池的研究已取得较大进展，但其真正意义上的大规模的商业应用依然受到高制造成本的限制。目前，燃料电池正负极的电催化剂仍然是以铂为主的贵金属催化剂，其价格占整个燃料电池组造价的一半以上，因此，开发低成本且催化效果好的催化剂对燃料电池的商业化应用具有重要意义。

碳材料作为一种低成本的电催化剂一直是人类研究的热点。

发明内容

为进一步提高纳米碳材料的电催化性能，本发明提供一种氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

提供一种氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维，其中，氮含量为5-20wt％，硼含量为5-20wt％，氟含量为5-20wt％。

同时，本发明还提供了上述氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维的制备方法，包括：将N,N-二甲基甲酰胺、氟硼酸铵和聚丙烯腈混合，得到电纺溶液；然后采用电纺溶液进行静电纺丝，制备聚合物纤维；再将所述聚合物纤维进行碳化热处理，得到所述氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维。

本发明提供的氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维中存在大量孔状结构，比表面积较大，有利于电催化效率的提高。同时，由于采用氮/硼/氟三种特定元素进行掺杂，暴露更多活性位点，电化学反应活性高。另外，该氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维具有优异的稳定性。

采用本发明提供的技术方案，具有如下优点：

本发明以氟硼酸铵作为氟源和硼源，聚丙烯腈作为N源，同时利用静电纺丝技术，将氮、硼、氟均匀的分布于碳纤维中，不会引入其它任何杂质。

本发明通过调节电纺溶液浓度，得到不同掺杂比例的碳纤维，同时调节电压比例，可得到不同直径大小的碳纤维。

本发明操作简单、设备易得、工艺流程简单，制备的氮、硼、氟共掺杂的碳纤维具有较大的比表面积和较高的电催化性能。

附图说明

图1是本发明实施例1制备得到的氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维的SEM图；

图2是本发明实施例2制备得到的氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维的SEM图；

图3是本发明实施例3制备得到的氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维的SEM图；

图4为实施例1～3制备得到的氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维的工作电极的极化曲线；

图5为实例1～3制备得到的氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维所制备的工作电极在KOH溶液中的氧还原反应的拟合曲线图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维中，氮含量为5-20wt％，硼含量为5-20wt％，氟含量为5-20wt％。

优选情况下，上述氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维的直径为300-800nm。

同时，本发明还公开了上述氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维的制备方法，具体包括：将N,N-二甲基甲酰胺、氟硼酸铵和聚丙烯腈混合，得到电纺溶液；然后采用电纺溶液进行静电纺丝，制备聚合物纤维；再将所述聚合物纤维进行碳化热处理，得到所述氮/硼/氟三元共掺杂碳纤维。

根据本发明，首先，配制电纺溶液，该电纺溶液包括N,N-二甲基甲酰胺、氟硼酸铵和聚丙烯腈。电纺溶液中，N,N-二甲基甲酰胺、氟硼酸铵和聚丙烯腈的相对含量可在较大范围内变动，优选情况下，所述电纺溶液中，氟硼酸铵：N,N-二甲基甲酰胺：聚丙烯腈的质量比为0.2-0.8：4.0-7.0：0.4-0.6。

上述N,N-二甲基甲酰胺、氟硼酸铵和聚丙烯腈均为化学领域公知的材料，可通过常规商购得到。本发明中，优选情况下，所述聚丙烯腈的重均分子量为15000-150000。