一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用技术

一种负载钴纳米颗粒的镍‑氮共掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用，它涉及一种多孔碳材料的制备方法。本发明专利技术的目的是要解决现有制备多孔碳的方法操作步骤繁琐、耗时，过电势高，而且对设备要求高，对环境有害，限制了多孔碳材料的制备，不适宜大规模生产和不能满足能源、催化和生物等领域新的应用需求的问题。一种负载钴纳米颗粒的镍‑氮共掺杂多孔碳材料原位生长在泡沫镍上。方法：一、泡沫镍的预处理；二、泡沫镍上原位生长钴基沸石咪唑酯骨架结构材料纳米片阵列；三、煅烧。一种负载钴纳米颗粒的镍‑氮共掺杂多孔碳材料作为电解水制氢催化剂用于能源领域。本发明专利技术可获得一种负载钴纳米颗粒的镍‑氮共掺杂多孔碳材料。

A nickel nitrogen Co doped porous carbon material loaded with cobalt nanoparticles and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种多孔碳材料的制备方法。
技术介绍
碳材料是一种古老而又年轻的材料，与人类生活息息相关。近年来多孔碳材料成为一种快速发展起来的新型材料体系，在各个领域中的应用得到了广泛地关注，特别是在能源相关领域。多孔碳材料具有成本低、质量轻、无毒害、表面化学惰性、耐高温耐酸碱、高机械稳定性、良好的导电性、吸附性以及大的比表面积和孔体积等特点，在CO2吸附、储氢、催化以及燃料电池与电化学双电层电容器等领域显示出巨大的应用潜力而备受各界关注。多孔碳材料的制备方法多种多样，常用的制备方法有以下两类：(1)活化法：活化法是制备多孔碳材料的传统方法，包括：(a)化学活化、物理活化或物理化学活化联用；(b)碳前驱体的催化活化；(c)可碳化和热解的高分子聚合物混合碳化；(d)高分子气凝胶的碳化；(e)生物质的碳化活化。利用这些传统的碳化活化方法制得的往往是无序多孔碳材料，很难控制其孔道形状和孔径；而且一些特定的活化剂(如：氢氧化钾，磷酸)高温下具有强烈的腐蚀性，提高了设备的材质要求，增加了生产成本。(2)模板法：模板法是利用模板来有效控制孔结构，从而制备出结构有序、孔径均一的材料的方法。根据使用的模板的不同，模板法可以分为以下几种：(a)软模板法，是一种直接合成有序介孔碳的方法，通过碳前驱体与软模板相互作用进行自组装，然后将碳前驱体碳化得到多孔碳材料；(b)硬模板法，利用一种具有特殊孔结构的材料作为硬模板，在其孔道中引入碳前驱体，经过碳化和除去硬模板得到具有特殊孔结构的多孔碳材料；(c)双模板法，利用硬模板来控制碳材料的形貌或者大孔的形成，同时利用软模板来控制有序介孔孔道的形成，从而得到具有等级孔道结构的多孔碳材料。模板法的突出优点是具有良好的结构可控性，但模板的脱除需要用到强酸或强碱，模板不能回收，增加了成本都造成了经济和环境上的浪费；操作步骤繁琐、耗时，而且对环境有害，这使得多孔碳材料的制备受到了极大的限制，不适宜大规模生产。另一方面，传感器、燃料电池、电容器、纳米生物反应器等众多新技术的蓬勃发展对多孔碳材料的性能又提出了新的要求，成分单一的多孔碳材料已经无法满足应用需求。杂原子(N、B、O、P和卤素等)掺杂以及过渡金属纳米颗粒的修饰是改变多孔碳材料几何结构和表(界)面电子与性质的有效途径。目前，氮原子被认为是碳材料中最理想的杂原子。特别是，在负载Ni、Co、Mo、Fe中单金属或双金属的碳纳米材料中掺入氮元素，氮与过渡金属间的强相互作用既可以极大地增加稳定性，又可以带来明显的电子结构的改变，提高电化学活性。随着在能源、催化和生物等领域应用的开拓，多孔碳的控制合成和性能研究将越来越受到重视。因此，设计合成成分和结构新颖的多孔碳材料对于传感器、燃料电池、电容器、纳米生物反应器等技术的发展具有重大意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有制备多孔碳的方法操作步骤繁琐、耗时，过电势高，而且对设备要求高，对环境有害，限制了多孔碳材料的制备，不适宜大规模生产和不能满足能源、催化和生物等领域新的应用需求的问题，而提供一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料原位生长在泡沫镍上，且钴颗粒镶嵌在氮-镍共掺杂的多孔碳材料上，钴的含量为5～30％，镍的含量为0.1％～5％，氮的含量为3％～8％；所述的钴颗粒为椭球形晶体，尺寸为5nm～30nm。一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料的制备方法，是按以下步骤完成的：一、泡沫镍的预处理：依次以稀盐酸、去离子水和无水乙醇为清洗剂对泡沫镍进行超声清洗，再进行真空干燥，得到预处理后的泡沫镍；二、泡沫镍上原位生长钴基沸石咪唑酯骨架结构材料纳米片阵列：①、将六水合硝酸钴溶解到去离子水中，得到六水合硝酸钴水溶液；步骤二①中所述的六水合硝酸钴水溶液的浓度为0.05mol/L～0.15mol/L；②、将二甲基咪唑溶解到去离子水中，得到二甲基咪唑水溶液；步骤二②中所述的二甲基咪唑水溶液的浓度为0.3mol/L～0.7mol/L；③、将六水合硝酸钴水溶液与二甲基咪唑水溶液混合，再进行搅拌，得到混合溶液；步骤二③中所述的六水合硝酸钴水溶液与二甲基咪唑水溶液的体积比为(0.9～1.1):(0.9～1.1)；④、首先将预处理后的泡沫镍浸入到混合溶液中，然后在室温下静置5h～10h，再依次使用去离子水和无水乙醇对泡沫镍冲洗，最后置于烘箱中干燥，得到表面生长有钴基沸石咪唑酯骨架结构材料纳米片阵列的泡沫镍；三、煅烧：首先将表面生长有钴基沸石咪唑酯骨架结构材料纳米片阵列的泡沫镍置于高温管式炉中，然后以0.5℃/min～6℃/min的升温速率升温至600℃～800℃，最后在温度为600℃～800℃下煅烧2h～5h，得到负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料。一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料作为电解水制氢催化剂用于能源领域。本专利技术的原理及优点：一、本专利技术获得的负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料，该材料原位生长在泡沫镍上，泡沫镍作为导电基底(集流体)，材料与集流体结合性强，稳定性好，而且泡沫镍的三维网状结构具有高的导电性和通透的结构，电解质的扩散电阻较小，具有较强的质子输运能力；二、本专利技术获得的负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料，该材料原位生长在泡沫镍上，泡沫镍作为镍源，在多孔碳材料内实现了含量约为3.5％的高载量单原子掺杂，该含量明显高于一般情况(<0.5wt％)。单原子急剧增大的表面自由能、量子尺寸效应、不饱和配位环境和金属-载体的相互作用，能够有效地调控单原子在化学过程中的选择性、活性和稳定性，使其具有均相催化选择性高和异相易实现产物分离等优点，在催化领域中表现出明显优势；三、本专利技术所使用的碳材料是以叶片状钴基金属有机骨架(Co-metal-organicframeworks,Co-MOFs)阵列为牺牲模板制备而成的，因而所得产物部分地保留了叶状阵列的微观结构，属于二维多孔碳材料。其明显不同于多面体结构钴基MOF(如ZIF67)得到的三维多孔碳材料；四、本专利技术获得的负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料，该材料是以钴基金属有机骨架(metal-organicframeworks,MOFs)为前驱体制备而成，该材料表面分散有一些钴纳米粒子，这些钴纳米粒子具有晶体结构，粒径在10nm～20nm左右，通常情况下，过渡金属由于有空的d轨道和d轨道电子，能够在化学反应中提供空轨道充当亲电试剂，或者提供孤对电子充当亲核试剂，形成中间产物，所以在碳纳米结构上负载过渡金属Ni、Co中的单金属或双金属纳米颗粒，石墨化碳和金属颗粒间的强耦合相互作用可以降低反应活化能，确保了更快的电子转移，促进化学反应的进行，是调节碳材料电子结构、改善其物理化学性能的有效途径；五、本专利技术获得的负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料，其特征在于一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料原位生长在泡沫镍上，且钴颗粒镶嵌在氮-镍共掺杂的多孔碳材料上，钴的含量为5～30％，镍的含量为0.1％～5％，氮的含量为3％～8％；所述的钴颗粒为椭球形晶体，尺寸为5nm～30nm。/n

【技术特征摘要】
1.一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料，其特征在于一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料原位生长在泡沫镍上，且钴颗粒镶嵌在氮-镍共掺杂的多孔碳材料上，钴的含量为5～30％，镍的含量为0.1％～5％，氮的含量为3％～8％；所述的钴颗粒为椭球形晶体，尺寸为5nm～30nm。


2.如权利要求1所述的一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料的制备方法是按以下步骤完成的：
一、泡沫镍的预处理：
依次以稀盐酸、去离子水和无水乙醇为清洗剂对泡沫镍进行超声清洗，再进行真空干燥，得到预处理后的泡沫镍；
二、泡沫镍上原位生长钴基沸石咪唑酯骨架结构材料纳米片阵列：
①、将六水合硝酸钴溶解到去离子水中，得到六水合硝酸钴水溶液；
步骤二①中所述的六水合硝酸钴水溶液的浓度为0.05mol/L～0.15mol/L；
②、将二甲基咪唑溶解到去离子水中，得到二甲基咪唑水溶液；
步骤二②中所述的二甲基咪唑水溶液的浓度为0.3mol/L～0.7mol/L；
③、将六水合硝酸钴水溶液与二甲基咪唑水溶液混合，再进行搅拌，得到混合溶液；
步骤二③中所述的六水合硝酸钴水溶液与二甲基咪唑水溶液的体积比为(0.9～1.1):(0.9～1.1)；
④、首先将预处理后的泡沫镍浸入到混合溶液中，然后在室温下静置5h～10h，再依次使用去离子水和无水乙醇对泡沫镍冲洗，最后置于烘箱中干燥，得到表面生长有钴基沸石咪唑酯骨架结构材料纳米片阵列的泡沫镍；
三、煅烧：
首先将表面生长有钴基沸石咪唑酯骨架结构材料纳米片阵列的泡沫镍置于高温管式炉中，然后以0.5℃/min～6℃/min的升温速率升温至600℃～800℃，最后在温度为600℃～800℃下煅烧2h～5h，得到负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料。


3.根据权利要求2所述的一种负载钴纳米颗粒的镍-氮共掺杂多孔碳材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：武立立，张喜田，张慧杰，于海玲，邵智韬，
申请(专利权)人：黑龙江科技大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23