一种复合纳米材料及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明提供了一种复合纳米材料，由占复合材料百分含量15～35wt%的氮化碳和65～85wt%的碳纳米材料组成，所述复合纳米材料呈纤维状，纤维的直径为5～20 nm，长度为500～1000 nm，材料比表面积为900～1000 m2/g，孔容为0.3～0.4cm3/g，电导率为5～8S/cm；本发明实现了复合材料的可控合成，首次采用两步水热法进行合成，该工艺简单、成本低廉、周期短、环境友好等优点，可以适用于工业化大规模生产，将该复合材料应用于电极材料使用时，与常规Pt/C为阴极催化剂组装的微生物燃料电池相比，输出功率更高，运行稳定性更佳，并且易于制备，价格低廉，为微生物燃料电池的商业化奠定了良好基础。
【专利说明】
一种复合纳米材料及其制备方法和应用
技术领域
[0001 ]本发明属于纳米材料应用技术领域，具体涉及一种复合纳米材料及其制备方法和 应用。
【背景技术】
[0002] 对纳米材料的研究是当今科学研究中一个前沿领域，也是全世界许多科学工作者 研究的热点。纳米材料的神奇之处和还不为人们所识的方面更是引起了人们的广泛关注； 对纳米材料进行制备的研究和应用更是目前的热点和难点，也是发展高科技的重点。
[0003] 氮化碳是一种新型的碳材料，近年来，含氮碳材料，由于其优异的电催化活性，光 催化活性，低廉的成本，对环境友好以及持续而高效的特点，被普遍认为是一种颇具潜力的 新材料（文献Science, 2009，323，760-764; Journal of the American Chemical Society ,2011，133,20116-20119)。其中，石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种典型的富含氮元素 的非金属碳材料，具有类石墨结构，是碳氮化合物中最稳定的同素异形体。g -C3N4己经被证 明能够对氧还原反应等表现出优异的催化活性(文献Energy & Environmental Science ,2012,5,6717-6731)，原因主要在于其具有丰富的吡啶氮活性组分。然而，由 于g_C3N4受到较差电导能力和低比表面积的影响，其作为阴极催化剂的应用会不可避免的 受到制约。
[0004] 有关氮化碳的复合材料的研究也较多，有文献(Appl.Mater. Inter.， 2014，6,1011 ;J.Mater.Chem. ,2012,22,2721)报道了通过超声化学的方法制备了氧化 石墨修饰的氮化碳复合材料，修饰后，氮化碳的光学吸收和光生电子的传输效率得到了加 强。因此，其光催化罗丹明B和2,4_二氯苯酚降解的活性与修饰前相比显著提高。然而，超声 化学法费时较多（10小时以上）；另外，由于氮化碳在水中的分散性较差，导致该方法不适合 于大规模应用。然而，关于氮化碳和碳纳米纤维复合材料的研究和报道还较少，对于此类复 合材料的开发和研究还有很大空间。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种复合纳米材料，通过结合碳纤维材料和氮化碳材料的性 能，形成具有优异光催化活性和电催化活性的纳米材料。另外，本发明还提供了该复合纳米 材料的制备方法，该方法工艺简单，产量较大，重复性很好，克服了制备程序复杂、成本高等 不足，在应用上更有优势。
[0006] 为解决上述问题，本发明采用的技术方案为： 一种复合纳米材料，由占复合材料百分含量15~35wt%的氮化碳和65~85wt%的碳纳米 纤维组成，所述复合纳米材料呈纤维状，纤维的直径为5~20 nm，长度为500~1000 nm，材 料比表面积为900~1000 m2/g，孔容为0.3~0.4cm3/g，电导率为5~8S/cm; 其中，所述复合纳米材料的制备方法包括如下步骤： (1)溶液的配制:按照重量比1: 〇. 05~0.15:1~10:0.5~1称取蔗糖、浓硝酸、水和模板 剂聚乙二醇PEG-2000,混合后均匀搅拌3~6小时，得到溶液A;按照复合材料中氮化碳的含 量称取合适量的碳氮源，然后加入一定量的溶剂甲醇，室温搅拌1~2h，得到溶液B; (2)复合纳米材料的制备:先将溶液A转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在120~ 180 °C下水热反应8~12h，反应结束后冷却至室温，然后打开反应釜，再将溶液B加入到反应 釜中，之后继续在120~180°C下水热反应6~10h，反应结束后，将产物进行离心分离、洗涤， 并在350~450°C下氮气气氛中焙烧3~5h即得复合纳米材料。
[0007] 其中，作为优选所述复合纳米材料呈纤维状，纤维的直径为10~15 nm，长度为600 ~800 nm，材料比表面积为920~960 m2/g，孔容为0.32~0.36cm3/g，电导率为6~7S/cm。
[0008] 所述水热反应是在均相反应器中进行，所述焙烧的升温速率为2°C/min;所述的碳 氮源为三聚氰胺或单氰胺。
[0009] 另外，本发明还提供了所述复合纳米材料在微生物燃料电池中的应用。
[0010] 所述复合纳米材料制备催化电极的方法，包括以下步骤:将复合纳米材料、导电材 料以及粘结剂混合，向混合物中加入溶剂后混合均匀，超声分散，然后将超声混合物均匀地 涂敷在导电基底上，自然风干，即得到复合材料催化电极。
[0011 ] 所述导电材料为炭黑、活性炭或石墨;所述粘结剂为聚四氟乙稀或者5wt%Naf ion 溶液;所述溶剂为异丙醇。
[0012] 本发明还提供了所述复合纳米材料在光解水制氢中的应用。
[0013] 本发明的技术效果为：（1)本发明实现了复合材料的可控合成，首次采用两步水热 法合成了氮化碳和碳纤维复合的纳米材料，所形成的复合纳米材料的形貌呈现均一的纤维 状，其直径为5~20 nm，长度为500~1000 nm，材料比表面积更是达到900~1000 m2/g，具 有十分优异的表面性质。
[0014] (2)本发明具有工艺简单、成本低廉、周期短、环境友好等优点，可以适用于工业化 大规模生产，将该复合材料应用于电极材料使用时，与常规Pt/c为阴极催化剂组装的微生 物燃料电池相比，输出功率更高，运行稳定性更佳，并且易于制备，价格低廉，为微生物燃料 电池的商业化奠定了良好基础。
【附图说明】
[0015]图1为本发明实施例1复合纳米材料的SEM图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述： 实施例1 一种复合纳米材料，由占复合材料百分含量15wt%的氮化碳和85wt%的碳纳米纤维组 成，所述复合纳米材料呈纤维状，纤维的直径为10 nm，长度为600 nm，材料比表面积为900 m2/g，孔容为0 · 3cm3/g，电导率为6S/cm; 其中，所述复合纳米材料的制备方法包括如下步骤： (1)溶液的配制：按照重量比1:0.01:6:0.7称取蔗糖、浓硝酸、水和模板剂聚乙二醇 PEG-2000,混合后均匀搅拌5小时，得到溶液A;按照复合材料中氮化碳的含量称取合适量的 碳氮源，然后加入一定量的溶剂甲醇，室温搅拌2h，得到溶液B; (2)复合纳米材料的制备:先将溶液A转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在160°C 下水热反应9h，反应结束后冷却至室温，然后打开反应釜，再将溶液B加入到反应釜中，之后 继续在150°C下水热反应8h，反应结束后，将产物进行离心分离、洗涤，并在400°C下氮气气 氛中焙烧4h即得复合纳米材料。
[0017] 实施例2 一种复合纳米材料，由占复合材料百分含量25wt%的氮化碳和75wt%的碳纳米纤维组 成，所述复合纳米材料呈纤维状，纤维的直径为10 nm，长度为800 nm，材料比表面积为950 m2/g，孔容为0 · 35cm3/g，电导率为6S/cm; 其中，所述复合纳米材料的制备方法包括如下步骤： (1) 溶液的配制:按照重量比1: 〇. 1:6:0.8称取蔗糖、浓硝酸、水和模板剂聚乙二醇PEG-2000,混合后均匀搅拌5小时，得到溶液A;按照复合材料中氮化碳的含量称取合适量的碳氮 源，然后加入一定量的溶剂甲醇，室温搅拌2h，得到溶液B; (2) 复合纳米材料的制备:先将溶液A转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在150°C 下水热反应l〇h，反应结束后冷却至室温，然后打开反应釜，再将溶液B加入到反应釜中，之 后继续在160°C下水热反应8h，反应结束后，将产物进行离心分离、洗涤，并在380°C下氮气 气氛中焙烧5h即得复合纳米材料。
[0018] 实施例3 一种复合纳米材料，由占复合材料百分含量30wt%的氮化碳和70wt%的碳纳米纤维组 成，所述复合纳米材料呈纤维状，纤维的直径为15 nm，长度为700 nm，材料比表面积为900 m2/g，孔容为0 · 4cm3/g，电导率为8S/cm; 其中，所述复合纳米材料的制备方法包括如下步骤： (1) 溶液的配制：按照重量比1: 〇 . 15 : 5: 0.8称取蔗糖、浓硝酸、水和模板剂聚乙二醇 PEG-2000,混合后均匀搅拌6小时，得到溶液A;按照复合材料中氮化碳的含量称取合适量的 碳氮源，然后加入一定量的溶剂甲醇，室温搅拌2h，得到溶液B; (2) 复合纳米材料的制备:先将溶液A转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在120°C 下水热反应12h，反应结束后冷却至室温，然后打开反应釜，再将溶液B加入到反应釜中，之 后继续在180°C下水热反应6~10h，反应结束后，将产物进行离心分离、洗涤，并在450°C下 氮气气氛中焙烧3h即得复合纳米材料。
[0019] 实施例4 一种复合纳米材料，由占复合材料百分含量35wt%的氮化碳和65wt%的碳纳米纤维组 成，所述复合纳米材料呈纤维状，纤维的直径为16 nm，长度为800 nm，材料比表面积为1000 m2/g，孔容为0 · 4cm3/g，电导率为7S/cm; 其中，所述复合纳米材料的制备方法包括如下步骤： (1) 溶液的配制：按照重量比1 :〇. 12:8:1称取蔗糖、浓硝酸、水和模板剂聚乙二醇PEG-2000,混合后均匀搅拌5小时，得到溶液A;按照复合材料中氮化碳的含量称取合适量的碳氮 源，然后加入一定量的溶剂甲醇，室温搅拌1.5h，得到溶液B; (2) 复合纳米材料的制备:先将溶液A转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在140°C 下水热反应9h，反应结束后冷却至室温，然后打开反应釜，再将溶液B加入到反应釜中，之后 继续在130°C下水热反应9h，反应结束后，将产物进行离心分离、洗涤，并在380°C下氮气气 氛中焙烧5h即得复合纳米材料。
[0020] 比较例1 一种复合纳米材料，其制备方法包括如下步骤： (1) 溶液的配制：按照重量比1:0.01:6:0.7称取蔗糖、浓硝酸、水和模板剂聚乙二醇 PEG-2000,混合后均匀搅拌5小时，得到溶液A;按照复合材料中氮化碳的含量称取合适量的 碳氮源，然后加入一定量的溶剂甲醇，室温搅拌2h，得到溶液B; (2) 复合纳米材料的制备:将溶液A和溶液B混合后转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应 釜中，在160°C下水热反应9h，反应结束后，将产物进行离心分离、洗涤，并在400°C下氮气气 氛中焙烧4h即得复合纳米材料。
[0021] 本发明实施例1-4以及比较例应用于微生物燃料电池性能的测试： (I):电极制备:将各实施例和比较例的复合材料、导电材料炭黑和粘结剂PTFE按照质 量比10 :31:63充分混合，并加入异丙醇试剂超声分散30分钟；将超声混合物均匀地涂抹在 石墨布上，自然风干24小时，制得复合材料催化电极。按照同样的方法将常规Pt/C催化剂、 导电材料和粘结剂混合可制得Pt/C催化电极。
[0022] (II)单室微生物燃料电池性能测试:将15mL的产电微生物菌液从进口装入单室微 生物燃料电池中，分别以上述制备的实施例和比较例复合材料催化电极和Pt/C催化电极作 为燃料电池的阴极。将燃料电池接入1000欧姆的外阻电路，开始记录产电过程，待最高电压 输出稳定之后进行燃料电池性能测试。
[0023]其中，本实验所采用的燃料电池的结构采用现有技术文献CN 105336964 A的空气 阴极单室微生物燃料电池(MFCs)。不同催化电极微生物燃料电池的性能如表1所示。
[0024] 由表1可以看出，本发明实施例各复合材料作为氧还原催化剂用于单室微生物燃 料电池，具有堪比于比较例1以及常规Pt/C催化剂的催化活性和稳定性，说明其拥有替代 Pt/C催化剂的潜在优势。
[0025] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种复合纳米材料，其特征在于，由占复合材料百分含量15~35wt%的氮化碳和65~ 85wt%的碳纳米纤维组成，所述复合纳米材料呈纤维状，纤维的直径为5~20 nm，长度为500 ~1000 nm，材料比表面积为900~1000 m2/g，孔容为0.3~0.4cm3/g，电导率为5~8S/cm; 其中，所述复合纳米材料的制备方法包括如下步骤： (1) 溶液的配制：按照重量比1: 〇. 05~0.15:1~10:0.5~1称取蔗糖、浓硝酸、水和模板 剂聚乙二醇PEG-2000，混合后均匀搅拌3~6小时，得到溶液A;按照复合材料中氮化碳的含 量称取合适量的碳氮源，然后加入一定量的溶剂甲醇，室温搅拌1~2h，得到溶液B; (2) 复合纳米材料的制备:先将溶液A转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在120~ 180 °C下水热反应8~12h，反应结束后冷却至室温，然后打开反应釜，再将溶液B加入到反应 釜中，之后继续在120~180°C下水热反应6~10h，反应结束后，将产物进行离心分离、洗涤， 并在350~450°C下氮气气氛中焙烧3~5h即得复合纳米材料。2. 根据权利要求1所述的复合纳米材料，其特征在于，所述复合纳米材料呈纤维状，纤 维的直径为10~15 nm，长度为600~800 nm，材料比表面积为920~960 m2/g，孔容为0.32 ~0 · 36cm3/g，电导率为6~7S/cm〇3. 根据权利要求1所述的复合纳米材料，其特征在于，所述水热反应是在均相反应器中 进行，所述焙烧的升温速率为2 °C/min。4. 根据权利要求1所述的复合纳米材料，其特征在于，所述的碳氮源为三聚氰胺或单氰 胺。5. -种权利要求1-4任一项所述复合纳米材料在微生物燃料电池中的应用。6. 根据权利要求5所述的应用，其特征在于，复合纳米材料制备催化电极的方法，包括 以下步骤:将复合纳米材料、导电材料以及粘结剂混合，向混合物中加入溶剂后混合均匀， 超声分散，然后将超声混合物均匀地涂敷在导电基底上，自然风干，即得到复合材料催化电 极。7. 根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述导电材料为炭黑、活性炭或石墨;所述 粘结剂为聚四氟乙稀或者5wt%Naf ion溶液;所述溶剂为异丙醇。8. -种权利要求1-4任一项所述复合纳米材料在光解水制氢中的应用。
【文档编号】H01M4/90GK106025303SQ201610612938
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】孙琴华
【申请人】杭州富阳伟文环保科技有限公司