二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法与应用.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115744876A(43)申请公布日2023.03.07(21)申请号202210709805.8B82Y40/00(2011.01)(22)申请日2022.06.22(71)申请人江苏理工学院地址213011江苏省常州市中吴大道1801号(72)发明人宋肖锴宋玉洁周雅静白敬争王晓克(74)专利代理机构南京正联知识产权代理有限公司32243专利代理师杭行(51)Int.Cl.C01B32/15(2017.01)C25B11/075(2021.01)C25B11/091(2021.01)B82Y30/00(2011.01)权利要求书1页说明书6页附图3页(54)发明名称二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法与应用(57)摘要本发明公开了一种二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法与应用，通过冰模板自组装策略，以金属‑有机骨架(MOF)多面体纳米颗粒为基本组装单元，先将其组装成MOF二维层状(单层和双层)有序超结构，接着热解即可最终转化为二维层状(单层和双层)中空碳纳米颗粒阵列超结构。该方案不需要使用任何添加剂或外场作用力即可实现MOF二维层状超结构的宏量制备；且可实现不同粒径、不同形貌MOF超结构的制备，具有很强的普适性。本发明制备的二维中空碳纳米颗粒阵列超结构材料具有高比表面积、高纵横比、高氮含量、高导电性等优势，有利于活性位点的充分暴露、离子传递和迁移、电荷运输，在氧还原反应中表现出良好的电催化活性。CN115744876ACN115744876A权利要求书1/1页1.二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)MOF纳米颗粒的制备；(2)二维层状MOF超结构的制备：将步骤(1)中制得的MOF纳米颗粒扩散在水中形成稳定的胶体溶液，采用冰模板自组装策略，将MOF胶体溶液经液氮快速冷冻后放入冷冻干燥机中冻干，得到二维层状MOF超结构；(3)二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的制备：将步骤(2)制得的二维层状MOF超结构置于管式炉中，在惰性气体的氛围中高温碳化，自然冷却至室温，得到二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构。2.如权利要求1所述的二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法，其特征在于，步骤(2)和(3)中得到的二维层状MOF超结构和二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构为单层或双层结构。3.如权利要求1所述的二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法，其特征在于，步骤(1)中获得的MOF纳米颗粒为ZIF‑8、ZIF‑67、UiO‑66和MIL‑88中的任意一种。4.如权利要求1所述的二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法，其特征在于，步骤(1)中获得的MOF纳米颗粒的粒径大小为50‑500nm。5.如权利要求1所述的二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法，其特征在于，步骤(1)中获得的MOF纳米颗粒的形貌为菱形正十二面体、立方体或八面体。6.如权利要求1所述的二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法，其特征在于，步骤(2)中MOF纳米颗粒胶体溶液的质量浓度为1％‑2％。7.如权利要求1所述的二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法，其特征在于，步骤(2)中冷冻干燥时间为24‑48h。8.如权利要求1所述的二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法，其特征在于，步骤(3)中所述惰性气体为氮气或氩气，惰性气体的流量为50‑150mL/min，碳化温度为800‑900℃，升温速率为3‑5℃/min，碳化时间为2‑3h。9.一种二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构材料，其特征在于，其是根据权利要求1‑8中任一项所述的二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法制备得到的。10.如权利要求9所述的二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构材料在氧还原反应电催化方面的应用，其特征在于，将二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构材料与粘结剂和乙醇混合，超声均匀得到浆液后涂抹到旋转圆盘电极上，即得到氧还原反应工作电极。2CN115744876A说明书1/6页二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法与应用技术领域[0001]本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种二维层状中空碳纳米颗粒阵列超结构的合成方法与应用。背景技术[0002]金属有机框架(Metal–OrganicFramework，MOF)材料作为一种新兴多孔晶体材料，因具有规整及可调控的孔径尺寸、可功能化修饰的孔道、超高比表面积等优势，在气体吸附/分离、异相催化、能源转化、药物传递等领域备受瞩目。但由于大多数MOF材料的化学和热稳定性较低，所以其在严苛条件下的应用(如酸/碱性电解质中的电催化)受到限制。[0003]与MOF材料相比，MOF衍生碳纳米材料不但具有高比表面积和发达的孔隙结构，而且具有优