靜電紡絲法組裝ZIFs納米顆粒及其衍生材料的電化學性能研究.pdf

1、靜電紡絲技術制備納米纖維材料是近十幾年來材料科學技術領域的最重要的學術與技術活動之一，是組裝納米顆粒和制備功能材料的有力手段。且存在電紡纖維的組成和形態方便調控，以及電紡纖維的網絡結構有利于傳質通過等優點。靜電紡絲技術以其制造裝置簡單、紡絲成本低廉、可紡物質種類繁多、工藝可控等優點，已成為有效制備納米纖維材料的主要途徑之一。靜電紡絲技術已經制備了種類豐富的納米纖維，包括有機、有機/無機復合和無機納米纖維，這類納米材料及其衍生物在氣體吸收

2、及分離，催化以及新能源領域皆有應用。
　　金屬有機框架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)具有超分子結構，是由金屬離子和有機配體構筑的具有多樣性和獨特的多孔結構的固體材料。其多孔性以及大的比表面積、結構以及功能多樣性、多的活性位點使其在許多方面皆有應用，比如燃料電極負極電催化劑，鋰離子電池負極材料，氣體吸收以及分離等。近年來，研究主要集中在直接合成單分散的MOFs納米顆粒，然后直接進行碳化以及其他負載處理

3、，高溫碳化容易造成材料中金屬的燒結以及結構坍塌等問題，以納米級別的MOFs為前驅體來組裝制備一維納米結構的研究鮮有報道。
　　本論文主要是結合靜電紡絲的技術以及沸石類MOFs納米顆粒進行功能組裝，然后通過調控一維納米材料的形貌來得到不同形貌以及金屬含量的MOFs納米纖維。通過調控納米顆粒的尺寸以及金屬含量來得到一維金屬/金屬氧化物以及雜原子摻雜的碳纖維，并討論其電化學性能，本論文的研究進展以及成果如下:
　　1，通過靜電紡絲

4、的技術成功的組裝了一種沸石類金屬有機框架納米材料，首次制備出了具有均勻結構的可調控的一維MOFs納米纖維，改變金屬源鋅跟鈷的比例，組裝不同金屬含量的BMZIFs（雙金屬有機框架）納米顆粒得到不同尺寸和不同金屬含量的一維納米材料(ES-BMZIFs)，通入惰性氣體高溫碳化可以直接轉變為一維多孔的金屬摻雜的碳納米纖維。碳化的過程中由于高分子聚合物PAN（聚丙烯腈）的包覆，成功解決了鈷離子在碳化過程中的燒結問題，同時使其形成的Co-Nx活性位

5、點均勻的分布在材料的表面以及內部。這種結構有利于使衍生材料具有大的比表面積，以及多級孔道的形成能顯著提高活性位點的暴露。一維結構有利于電解質的浸潤。正如預期的那樣，這種摻雜的碳納米纖維具有優異的電催化性能、循環穩定性以及耐甲醇性相比于相同實驗條件下商用20％Pt/C催化劑的水平。在堿性和酸性條件下，其起始電位和半波電位分別為堿性:-0.08V和0.154V，酸性:0.53V和0.43V(vs Ag/AgCl)。
　　2，成功的制備

6、分級結構的一維多孔Co3O4@C納米纖維，通過直接靜電紡絲組裝ZIF-67納米顆粒，然后進行高溫還原以及低溫氧化兩個熱處理過程得到摻雜的一維金屬氧化物納米纖維(ES-CNCo3O4)。需要強調的是，在這項工作中形成的Co3O4納米顆粒具有中空結構，相比于固體納米粒子而言已被證明具有更好的電化學性能。在熱解過程中，鈷單質可以同時催化周圍的碳石墨化，使衍生物對電解質具有很好的親和力。此外，Co3O4納米粒子表面包覆一層碳，也有利于減少充放電