一种表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料、制备方法及其应用

本发明属于材料，涉及一种表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、传统化石能源的过度消耗引起的能源紧缺、环境污染、温室效应等问题日益凸显。开发和利用清洁能源逐渐成为国内外学者研究的热点与前沿。电能是一种可持续且对环境友好的二次能源，已经成为人类社会不可或缺的一部分。但电能很难直接储存，因此高效的存储系统是电能转换与运输的关键。

2、目前，电能的高效储存主要有：锂离子电池、电容器以及燃料电池等。其中，燃料电池，尤其是氢燃料电池因其高能量转换效率、高功率密度、相对较低的工作温度、低噪音以及低至零排放等优势，被视为一种高效的新型清洁能源技术。然而，如何大量获取高纯度的氢依然是急需解决的问题。电解水制氢将电能转化为氢能进行存储，对缓解能源危机和减轻温室气体的排放具有重要意义。因此，寻找可用于新型清洁能源技术的低成本、高效电解水制氢催化剂是目前研究的科学前沿。

3、在众多电解水制氢催化剂中，碳材料作为活性物质的支撑材料，具有轻量化、稳定性高、环境友好等优点。此外，碳基催化剂还具有耐腐蚀、低成本、资源丰富等优势，广泛应用于燃料电池阴极材料，潜力巨大。碳基催化剂的电化学活性与碳载体的化学成分、结构和形貌关系密切，而活性位点的暴露受诸多因素的影响，包括碳载体的孔道结构、金属负载量、热处理工艺等。碳载体的高比表面积、高导电率和多层多孔结构等优点能够有效提高电催化活性。因此，制备形貌结构精确可调且具有优异催化性能的碳纳米复合材料具有重要的意义。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料、制备方法及其应用，该树莓状碳纳米复合材料表面凸起的尺寸与数量可精确调控，凸起由铂镍纳米合金构成，且铂原子选择性分布在纳米合金表面。由于铂原子的充分暴露与纳米合金中镍原子对铂原子电荷结构的优化，该树莓状碳纳米复合材料表现出优异的电解水制氢催化性能，能够作为电解水制氢的催化剂使用。所述的一种表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料的制备方法快速便捷、节能环保、具有工业化生产的潜力。

2、为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

3、一种表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料，该树莓状碳纳米复合材料表面的凸起尺寸与数量可精确调控，凸起由铂镍纳米合金构成，且铂原子选择性分布在纳米合金表面。

4、所述树莓状碳纳米复合材料的直径为200-900nm，且能够通过聚合过程中制备纳米球的单体固含量进行精确调控；所述树莓状碳纳米复合材料的表面凸起的直径为2-40nm，且能够通过退火的时间与降温速度进行精确调控；所述树莓状碳纳米复合材料的表面凸起的数量为10-150个，且能够通过铂镍纳米合金的含量精确调控。

5、所述的铂镍纳米合金中铂和镍的质量比在1：3至5：1的范围内调控。

6、所述的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料的制备方法，以尺寸均一的纳米球作为前驱体，原位吸附镍离子与铂离子后在惰性气氛中碳化并进行退火，得到表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料。

7、所述尺寸均一的纳米球的制备方法为：以联苯四甲酸二酐和对乙二醇为单体，以单体固含量为5％-45％加入到溶剂中，并加入浓硫酸作为催化剂，通过逐步聚合得到两亲性聚酯，在聚合过程中原位诱导两亲性聚酯自组装，形成尺寸均一的纳米球。

8、所述浓硫酸的质量为加入单体质量的0.5％。

9、所述溶剂为丙酮与n,n’二甲基甲酰胺的混合溶剂，且体积比为1：1至10：1。

10、所述惰性气体为氩气、氢气和氨气中的一种或几种；所述碳化的温度为650-1000℃。

11、所述退火的时间为4-12小时，降温速度为60-200℃/小时；铂镍纳米合金占树莓状碳纳米复合材料的质量百分比为2％-25％。

12、所述的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料作为电解水制氢催化剂的应用。

13、由于采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

14、第一、本发明提供的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料，其凸起由铂镍纳米合金构成，且铂原子选择性分布在纳米合金表面，能够保证铂原子的充分暴露，提供更多的活性位点。表面凸起的尺寸与数量可通过金属离子的吸附量与退火精确调控，实现了树莓状碳纳米复合材料形貌结构的精确控制，显著提高铂原子的利用率。同时，纳米合金中镍原子对铂原子电荷结构的优化可以进一步提高树莓状碳纳米复合材料的本征催化活性。

15、第二、本发明提供的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料制备步骤简便，环境友好。两亲性聚酯(既亲水又亲油)由联苯四甲酸二酐与对乙二醇通过逐步聚合得到，聚合条件温和。在聚合过程中发生自组装，形成尺寸均一的纳米球，无需额外的制备步骤。原位吸附镍离子与铂离子后，在惰性气体中碳化后得到表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料。

16、第三、本发明提供的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料以尺寸均一的纳米球作为前驱体，在惰性气氛中一步碳化而得，制备步骤简便、节能环保。尺寸均一的纳米球在聚合过程中自组装得到，固含量最高可达45％，制备过程中以纳米球作为自模板，无需额外的软、硬模板，具备规模化制备的条件。

技术特征：

1.一种表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料，其特征在于：该树莓状碳纳米复合材料表面的凸起尺寸与数量可精确调控，凸起由铂镍纳米合金构成，且铂原子选择性分布在纳米合金表面。

2.根据权利要求1所述的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料，其特征在于：所述树莓状碳纳米复合材料的直径为200-900nm，且能够通过聚合过程中制备纳米球的单体的固含量进行精确调控；所述树莓状碳纳米复合材料的表面凸起的直径为2-40nm，且能够通过退火的时间与降温速度进行精确调控；所述树莓状碳纳米复合材料的表面凸起的数量为10-150个，且能够通过铂镍纳米合金的含量精确调控。

3.根据权利要求1所述的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料，其特征在于：所述的铂镍纳米合金中铂和镍的质量比在1：3至5：1的范围内调控。

4.权利要求1至3任一项所述的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：以尺寸均一的纳米球作为前驱体，原位吸附镍离子与铂离子后在惰性气氛中碳化并进行退火，得到表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料。

5.根据权利要求4所述的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述尺寸均一的纳米球的制备方法为：以联苯四甲酸二酐和对乙二醇为单体，以单体固含量为5％-45％加入到溶剂中，并加入浓硫酸作为催化剂，通过逐步聚合得到两亲性聚酯，在聚合过程中原位诱导两亲性聚酯自组装，形成尺寸均一的纳米球。

6.根据权利要求5所述的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述浓硫酸的质量为加入单体质量的0.5％。

7.根据权利要求5所述的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述溶剂为丙酮与n,n’二甲基甲酰胺的混合溶剂，且体积比为1：1至10：1。

8.根据权利要求4所述的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气、氢气和氨气中的一种或几种；所述碳化的温度为650-1000℃。

9.根据权利要求4所述的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料，其特征在于：所述退火的时间为4-12小时，降温速度为60-200℃/小时；铂镍纳米合金占树莓状碳纳米复合材料的质量百分比为2％-25％。

10.权利要求1至3任一项所述的表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料作为电解水制氢催化剂的应用。

技术总结本发明提供了一种表面凸起精确可控的树莓状碳纳米复合材料、制备方法及其应用，该树莓状碳纳米复合材料表面凸起的尺寸与数量可精确调控，凸起由铂镍纳米合金构成，且铂原子选择性分布在纳米合金表面。其制备方法为：以联苯四甲酸二酐与对乙二醇为单体，通过逐步聚合得到两亲性聚酯，在聚合过程中原位诱导两亲性聚酯自组装，形成尺寸均一的纳米球。该纳米球原位吸附镍离子与铂离子，在惰性气氛中碳化并进行程序退火，得到由铂镍纳米合金为凸起并均匀分布在碳纳米球表面的树莓状碳纳米复合材料。由于铂原子的充分暴露与纳米合金中镍原子对铂原子电荷结构的优化，该树莓状碳纳米复合材料表现出优异的电解水制氢催化性能，能够作为电解水制氢的催化剂使用。技术研发人员：孙辉,李霄,高晨晨受保护的技术使用者：宁夏大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9