一种联苯纳米带及其在氧还原反应中的应用制造技术

本发明专利技术提出了一种联苯纳米带及其在氧还原反应中的应用，该联苯纳米带是通过下述方法制备得到：将二维联苯在载体上成膜形成二维联苯薄膜；将聚合物纳米线沉积在所述二维联苯薄膜上形成掩模板；将所述二维联苯薄膜上没有被掩模板覆盖的二维联苯部分蚀刻掉，再去除掩模板得到纳米带；将所述纳米带在氨气气氛下煅烧形成N掺杂的纳米带，即为所述联苯纳米带。本发明专利技术提出了一种联苯纳米带及其在氧还原反应中的应用，通过开发出一种联苯纳米带，并将氮掺杂在该联苯纳米带中，经过计算结果表明，该联苯纳米带可以显著提高其作为氢燃料电池高效ORR电催化剂的效率。ORR电催化剂的效率。ORR电催化剂的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种联苯纳米带及其在氧还原反应中的应用


[0001]本专利技术涉及纳米带
，尤其涉及一种联苯纳米带及其在氧还原反应中的应用。

技术介绍

[0002]将太阳能、风能、水和其他可持续资源转化为氢燃料和化学物质是可持续能源发展的有效战略。然而，开发有效的工艺和技术来使这些合成氢和化学物质供家庭使用也很重要。燃料电池是这个问题的潜在解决方案。氧还原反应(ORR)是燃料电池的核心，也是电化学催化中的关键反应。然而，ORR过程存在不稳定性和动力学慢的问题，新型燃料电池电极催化材料的开发、设计和优化已成为学术研究和工业应用的重要目标。
[0003]目前，铂基催化剂是最受欢迎的催化剂，但其价格高、稳定性差、稀缺性限制了其发展。近年来，无金属ORR催化剂作为铂基催化剂的替代品得到了广泛的关注。二维碳基无金属催化剂是一种很有前途的新型催化剂，与传统贵金属催化剂相比，它们成本低，稳定性好，一些非金属碳基催化剂的催化性能甚至可以与铂等贵金属相媲美。此外，二维材料的边缘位点由于其独特的化学和物理性质已成为当前材料研究的重要领域之一。与块状材料相比，二维材料的边缘位点具有更高的比表面积和更大的活性，是更理想的催化剂。研究人员通过掺杂、缺陷、应变等进一步提高了二维材料的催化性能。通过在二维碳材料的边缘位点引入杂原子，如氮原子，改变其电子结构，增强其在ORR反应中的催化活性。
[0004]最近，科学家们通过表面聚合物间脱氢氟反应(HF
‑
zipping)的方法成功合成了二维联苯，此材料由sp2杂化碳原子所构成，形成4元、6元和8元环的结构。实验证实，这种材料具有片状金属的性质，但是应用于ORR中的催化效果并不显著。

技术实现思路

[0005]基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种联苯纳米带及其在氧还原反应中的应用，通过开发出一种联苯纳米带，并将氮掺杂在该联苯纳米带中，经过计算结果表明，该联苯纳米带可以显著提高其作为氢燃料电池高效ORR电催化剂的效率。
[0006]本专利技术提出的一种联苯纳米带，其是通过下述方法制备得到：
[0007](1)将二维联苯在载体上成膜形成二维联苯薄膜；
[0008](2)将聚合物纳米线沉积在所述二维联苯薄膜上形成掩模板；
[0009](3)将所述二维联苯薄膜上没有被掩模板覆盖的二维联苯部分蚀刻掉，再去除掩模板得到纳米带；
[0010](4)将所述纳米带在氨气气氛下煅烧形成N掺杂的纳米带，即为所述联苯纳米带。
[0011]优选地，步骤(1)中，将二维联苯溶液涂覆在载体上，烘干后成膜，即形成二维联苯薄膜；
[0012]优选地，所述载体为SiO2基底。
[0013]优选地，步骤(2)中，将高分子溶液通过静电纺丝形成聚合物纳米线后沉积在所述
2021,372,852
‑
856.合成)分散在正己烷中得到二维联苯溶液，将该二维联苯溶液通过匀胶机涂覆在SiO2基底上，150℃下烘干后，得到二维联苯薄膜；
[0034](3)将浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液通过静电纺丝形成聚合物纳米线，具体地，聚乙烯醇水溶液的用量为1mL，玻璃管的喷嘴直径为0.33mm，高压电源的电压为15kV，纺丝喷嘴与接收基底的距离为10cm，将所述二维联苯薄膜放置在接收基底上，打开电源进行静电纺丝，沉积2min后，即在二维联苯薄膜上形成覆盖有由聚合物纳米线形成的掩模板；
[0035](3)将所述二维联苯薄膜上没有被掩模板覆盖的二维联苯部分利用反应离子刻蚀进行蚀刻，具体地，刻蚀功率为80W，Ar和氧气流量分别为25sccm和15sccm，将刻蚀后的产品用N，N
‑
二甲基甲酰胺冲洗后去除掩模板，150℃下烘干后，得到纳米带；
[0036](4)将所述纳米带置于石英管中，以50mL/min的流速持续通入氨气，再以5℃/min的速率升温至350℃，保温煅烧3h后，得到N掺杂的纳米带，即为所述联苯纳米带。
[0037]对比例1
[0038]一种纯联苯纳米带，即锯齿型未掺N联苯纳米带，其是通过下述方法制备得到：
[0039](1)将二维联苯(参照文献Fan,Q.；Yan,L.；Tripp,M.W.；Krejci,O.；Dimosthenous,S.；Kachel,S.R.；Chen,M.；Foster,A.S.；Koert,U.；Liljeroth,P.；Gottfried,J.M.Biphenylene Network:A Nonbenzenoid CarbonAllotrope.Science 2021,372,852
‑
856.合成)分散在正己烷中得到二维联苯溶液，将该二维联苯溶液通过匀胶机涂覆在SiO2基底上，150℃下烘干后，得到二维联苯薄膜；
[0040](2)将浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液通过静电纺丝形成聚合物纳米线，具体地，聚乙烯醇水溶液的用量为1mL，玻璃管的喷嘴直径为0.33mm，高压电源的电压为15kV，纺丝喷嘴与接收基底的距离为10cm，将所述二维联苯薄膜放置在接收基底上，打开电源进行静电纺丝，沉积2min后，即在二维联苯薄膜上形成覆盖有由聚合物纳米线形成的掩模板；
[0041](3)将所述二维联苯薄膜上没有被掩模板覆盖的二维联苯部分利用反应离子刻蚀进行蚀刻，具体地，刻蚀功率为80W，Ar和氧气流量分别为25sccm和15sccm，将刻蚀后的产品用N，N
‑
二甲基甲酰胺冲洗后去除掩模板，150℃下烘干后，得到纳米带，即为所述纯联苯纳米带。
[0042]使用自旋极化周期密度泛函理论和VASP软件进行计算模拟，对上述实施例和对比例所述联苯纳米带的氧还原性能进行评估，具体操作如下：
[0043]采用投影增强平面波(PAW)方法描述离子和电子之间的相互作用，并采用广义梯度近似(GGA)中的Perdew
‑
Burke
‑
Ernzerhof(PBE)泛函描述交换相关能，将截止能量设定为500eV。范德华校正采用带有Beck
‑
Jonson阻尼的DFT
‑
D3法。设置真空层厚度为去避免Z方向的周期性相互作用，几何优化过程中的能量和力的收敛准则分别为1
×
10
‑5eV和使用2
×1×
1的k空间采样对锯齿型联苯纳米带进行几何优化，并使用7
×7×
1进行电子结构计算。Pt(111)是用(4
×
4)超胞模拟的，有四个原子层，真空层设置为底部两层原子固定，顶部两层原子和吸附物质进行全松弛。表面布里渊带的采样伽马中心k网格3
×3×
1。采用隐式溶剂模型(VASPsol)描述溶剂效应，隐式和显式溶剂化模型中不同中间体的吸附能如下表1所示。与隐式溶剂化模型的结果相比，显式溶剂化模型中由于氢键相互作用，中间产物的吸附能略有变化，但值得注意的是，两种溶剂化模型的能量差很本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种联苯纳米带，其特征在于，其是通过下述方法制备得到：(1)将二维联苯在载体上成膜形成二维联苯薄膜；(2)将聚合物纳米线沉积在所述二维联苯薄膜上形成掩模板；(3)将所述二维联苯薄膜上没有被掩模板覆盖的二维联苯部分蚀刻掉，再去除掩模板得到纳米带；(4)将所述纳米带在氨气气氛下煅烧形成N掺杂的纳米带，即为所述联苯纳米带。2.根据权利要求1所述的联苯纳米带，其特征在于，步骤(1)中，将二维联苯溶液涂覆在载体上，烘干后成膜，即形成二维联苯薄膜；优选地，所述载体为SiO2基底。3.根据权利要求1或2所述的联苯纳米带，其特征在于，步骤(2)中，将高分子溶液通过静电纺丝形成聚合物纳米线后沉积在所述二维联苯薄膜上形成掩模板；优选地，所述高分子溶液为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚苯乙烯的溶液中的至少一种。4.根据权利要求3所述的联苯纳米带，其特征在于，步骤(2)中，所述静电纺丝的工艺参数包括：电源电压为10
‑
20kV，接收基底与喷嘴之间的距离为5
‑
20cm，沉积的时间为1
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁苗，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：