CN109950562A - 一种镍、钴、氮共掺杂纳米纤维催化剂的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法及其在醇类燃料电池阴极催化剂中的应用。所述制备方法为：依次将钴盐、锌盐、镍盐加入至有机溶剂中，得到溶液A；将高分子聚合物加入至有机溶剂中，得到溶液B；将溶液A加入至溶液B中，混合均匀后，得到静电纺丝前驱液；通过静电纺丝技术，利用静电纺丝前驱液制备出聚合物纳米纤维；将聚合物纳米纤维热处理后，即得镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂。本发明步骤简单，易操作，实施条件易控制，无需利用模板，也无需进行活化刻蚀即可得到镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂，且拥有与商业铂碳相近的氧还原性能，其成本低、效率高、无污染，可作为醇类燃料电池阴极催化剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法及应用，属于燃料电池氧还原催化剂材料技术领域。
背景技术
直接醇类燃料电池是一种受到广泛关注的新能源技术，是最接近商业化应用的燃料电池。铂基电催化剂是直接醇类燃料电池中应用最广泛的电催化剂，但是由于铂的储量少、价格昂贵，且其使用寿命比较短，导致目前直接醇类燃料电池无法大规模商用。因此，研发低成本、高活性、高稳定性的阴极非贵金属催化剂是解决该问题的关键。
目前，对于氧还原催化剂的研究多为碳基催化剂。单纯的碳材料虽然导电性能较好，但是其催化活性较差，很难达到人们对理想电化学催化剂的要求。因此，人们将目光放在了碳基非贵金属催化剂的研究上，例如过渡金属(Co、Fe、Ni或Mn)-氮-碳(M-N-C)复合物，这类催化剂在氧还原过程中表现出了类似Pt基催化剂的活性，同时制备这类催化剂的原料成本低，具有较好的应用前景。目前的M-N-C催化剂多采用碳纳米管、石墨烯或其他碳材料为载体，其制备方法复杂、成本较高，限制了其进一步应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有M-N-C催化剂采用碳纳米管、石墨烯或其他碳材料为载体，其制备方法复杂、成本较高的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了以下技术方案：
一种镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：静电纺丝前驱液的制备：
步骤1-1)：依次将钴盐、锌盐、镍盐加入至有机溶剂中，得到溶液A；
步骤1-2)：将高分子聚合物加入至有机溶剂中，得到溶液B；
步骤1-3)：将溶液A加入至溶液B中，混合均匀后，得到静电纺丝前驱液；
步骤2)：聚合物纳米纤维的制备：通过静电纺丝技术，利用静电纺丝前驱液制备出聚合物纳米纤维；
步骤3)：催化剂的制备：将聚合物纳米纤维热处理后，即得镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂。
优选地，所述步骤1-1)、1-2)中的有机溶剂均采用N,N-二甲基甲酰胺；步骤1-1)中的钴盐采用乙酸钴，锌盐采用乙酸锌，镍盐采用乙酸镍；步骤1-2)中的高分子聚合物采用聚丙烯腈。
优选地，所述步骤1)制得的静电纺丝前驱液中，高分子聚合物的质量百分含量为8-12％，钴盐、锌盐及镍盐的质量百分含量之和为6-17％。
优选地，所述步骤2)具体为：将步骤1)制得的静电纺丝前驱液注入至带有不锈钢针头的注射器中，并将注射器放置在静电纺丝机上，在不锈钢针头与静电纺丝机的接收器之间施加恒定的高压直流电压，通过旋转接收器进行静电纺丝，即得聚合物纳米纤维。
更优选地，所述不锈钢针头的内径为0.26-0.84mm，不锈钢针头与接收器之间的直流电压为10-20kV，且不锈钢针头与接收器之间的距离为15-25cm。
更优选地，所述静电纺丝的过程中，接收器的旋转速率为30-80r/min，注射器的推注速率为0.001-0.1mm/min。
优选地，所述步骤3)中聚合物纳米纤维热处理具体为：先将其在马弗炉中进行一次热处理，再在管式炉中进行二次热处理。
更优选地，所述一次热处理的具体过程为：将聚合物纳米纤维置于马弗炉中，并在室温下以1-2℃/min的升温速率加热至200-300℃后，恒温烧结30min-3h。
更优选地，所述二次热处理的具体过程为：将一次热处理后的聚合物纳米纤维置于管式炉中，并在室温下以1-5℃/min的升温速率加热至700-950℃后，恒温烧结2-20h。
进一步地，所述二次热处理过程中，向管式炉中通入氮气进行保护。
本发明还提供了一种上述镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂在醇类燃料电池阴极催化剂中的应用。
本发明将前驱物金属盐和高分子聚合物共同溶于有机溶剂中，配成静电纺丝前驱液，通过静电纺丝技术得到导电高分子聚合物纳米纤维，随后对该聚合物纳米纤维进行热处理，纤维表面原位生长出薄膜状碳，弥合了纤维间的缝隙，同时纤维中的金属盐类分解，伴随纤维结构的解体，最终得到了镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂。
通过本发明方法制备得到的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂，其表面富含大量的孔洞，且在0.1M KOH电解液中具有较好的氧还原催化活性。碳纳米纤维催化剂中的镍和钴作为电化学催化活性的中心，分别与氮元素之间协同形成Ni-N键和Co-N键，同时催化活性点位固定在碳基体结构中，增加了催化剂的活性和稳定性。
本发明制备得到的碳纳米纤维催化剂具有良好的一维管状形貌，且其中含有的锌元素在高温热处理过程中起到制孔的作用，增大了材料的比表面积，为体系中电荷的转移和传递提供了良好的通道，同时加速了传质过程的进行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明通过简便的方法直接制备得到了形貌均一并具有优良催化性能的M-N-C材料，解决了现有直接醇类燃料电池阴极氧还原催化剂成本高、寿命短的问题，催化剂的氧还原过程符合四电子途径，在碱性电解液环境下具有良好的初始电位和极限电流密度，是一种具有发展前景的氧还原催化剂；
2)本发明步骤简单，易操作，实施条件易控制，无需利用模板，也无需进行活化刻蚀即可得到镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂，且拥有与商业铂碳相近的氧还原性能，其成本低、效率高、无污染，可作为醇类燃料电池阴极催化剂。
附图说明
图1为实施例1制得的催化剂不同比例SEM图谱的对比图；
图2a为实施例1制得的催化剂的XPS总谱图；
图2b为实施例1制得的催化剂中Co的高分辨谱图及分峰；
图2c为实施例1制得的催化剂中Ni的高分辨谱图及分峰；
图2d为实施例1制得的催化剂中N的高分辨谱图及分峰；
图3为实施例1制得的催化剂和商业铂碳在0.1M KOH中的极化曲线图谱。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：
1)静电纺丝前驱液的制备：
分别称取0.2g乙酸钴、1.9g乙酸锌、0.2g乙酸镍，加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌至乙酸钴、乙酸锌、乙酸镍完全溶解，记为溶液A。称取2g聚丙烯腈，加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌至溶液透明，记为溶液B。将溶液A加入到溶液B中，搅拌12h后，得到混合均匀的静电纺丝前驱液。
2)聚合物纳米纤维的制备：
将步骤1)得到的静电纺丝前驱液，注入到带有不锈钢针头的注射器中，将注射器放置在静电纺丝机上，在不锈钢头与接收器之间施加恒定的高压直流电压，通过旋转接收器静电纺丝，得到聚合物纳米纤维。其中不锈钢针头内径为0.34mm，纺丝电压为15kV，纺丝距离为18cm，接收器旋转速率为50r/min，注射器的推注速率为0.01mm/min。
3)催化剂的制备：
将步骤2)得到的聚合物纳米纤维先置于马弗炉中250℃热处理2h，随后再用管式炉在氮气保护下，800℃进行热处理20h，即得到镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂。两段热处理的升温速率分别为2℃/min、5℃/min。
通过静电纺丝技术得到的聚合物纳米纤维的SEM图谱如图1所示，从图1中可以看到，所制备的聚合物纳米纤维材料粗细均一，直径在200nm左右。
聚合物纳米纤维经过热处理后得到的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的XPS图谱如图2a-2d所示。从图2中可以看出，N、Ni、Co三种元素的存在。
图3表示的是制备得到的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂和商业铂碳在三电极体系下氧饱和的0.1M KOH溶液中进行电化学测试，测得的催化剂在碱性条件下的氧还原极化曲线，可以看出，镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的还原起始电位为0.80V，半波电位为0.84V，均接近商业铂碳催化剂的水平，且拥有与商业铂碳催化剂相当的极限电流密度，表明本实施例中制得的催化剂在碱性条件下具有优良的氧还原催化性能。
实施例2
一种镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：
1)静电纺丝前驱液的制备：
分别称取0.5g乙酸钴、1.9g乙酸锌、0.2g乙酸镍，加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌至乙酸钴、乙酸锌、乙酸镍完全溶解，记为溶液A。称取2g聚丙烯腈，加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌至溶液透明，记为溶液B。将溶液A加入到溶液B中，搅拌12h后，得到混合均匀的静电纺丝前驱液。
2)聚合物纳米纤维的制备：
将步骤1)得到的静电纺丝前驱液，注入到带有不锈钢针头的注射器中，将注射器放置在静电纺丝机上，在不锈钢头与接收器之间施加恒定的高压直流电压，通过旋转接收器静电纺丝，得到聚合物纳米纤维。其中不锈钢针头内径为0.34mm，纺丝电压为15kV，纺丝距离为18cm，接收器旋转速率为50r/min，注射器的推注速率为0.01mm/min。
3)催化剂的制备：
将步骤2)得到的聚合物纳米纤维先置于马弗炉中250℃热处理2h，随后再用管式炉在氮气保护下，800℃进行热处理20h，即得到镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂。两段热处理的升温速率分别为2℃/min、5℃/min。
实施例3
一种镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：
1)静电纺丝前驱液的制备：
分别称取0.5g乙酸钴、0.95g乙酸锌、0.2g乙酸镍，加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌至乙酸钴、乙酸锌、乙酸镍完全溶解，记为溶液A。称取2g聚丙烯腈，加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌至溶液透明，记为溶液B。将溶液A加入到溶液B中，搅拌12h后，得到混合均匀的静电纺丝前驱液。
2)聚合物纳米纤维的制备：
将步骤1)得到的静电纺丝前驱液，注入到带有不锈钢针头的注射器中，将注射器放置在静电纺丝机上，在不锈钢头与接收器之间施加恒定的高压直流电压，通过旋转接收器静电纺丝，得到聚合物纳米纤维。其中不锈钢针头内径为0.34mm，纺丝电压为15kV，纺丝距离为18cm，接收器旋转速率为50r/min，注射器的推注速率为0.01mm/min。
3)催化剂的制备：
将步骤2)得到的聚合物纳米纤维先置于马弗炉中250℃热处理2h，随后再用管式炉在氮气保护下，800℃进行热处理20h，即得到镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂。两段热处理的升温速率分别为2℃/min、5℃/min。
实施例4
一种镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：
1)静电纺丝前驱液的制备：
分别称取0.1g乙酸钴、1.9g乙酸锌、0.2g乙酸镍，加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌至乙酸钴、乙酸锌、乙酸镍完全溶解，记为溶液A。称取2g聚丙烯腈，加入到10mL N,N-二甲基甲酰胺中，在室温下搅拌至溶液透明，记为溶液B。将溶液A加入到溶液B中，搅拌12h后，得到混合均匀的静电纺丝前驱液。
2)聚合物纳米纤维的制备：
将步骤1)得到的静电纺丝前驱液，注入到带有不锈钢针头的注射器中，将注射器放置在静电纺丝机上，在不锈钢头与接收器之间施加恒定的高压直流电压，通过旋转接收器静电纺丝，得到聚合物纳米纤维。其中不锈钢针头内径为0.34mm，纺丝电压为15kV，纺丝距离为18cm，接收器旋转速率为50r/min，注射器的推注速率为0.01mm/min。
3)催化剂的制备：
将步骤2)得到的聚合物纳米纤维先置于马弗炉中200℃热处理2h，随后再用管式炉在氮气保护下，800℃进行热处理20h，即得到镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂。两段热处理的升温速率分别为2℃/min、5℃/min。
实施例5
一种镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)静电纺丝前驱液的制备：
1-1)分别将乙酸钴、乙酸锌及乙酸镍加入至N,N-二甲基甲酰胺中，得到溶液A；
1-2)将聚丙烯腈加入至N,N-二甲基甲酰胺中，得到溶液B；
1-3)将溶液A加入至溶液B中，混合均匀后，得到所述的静电纺丝前驱液，该静电纺丝前驱液中，高分子聚合物的质量百分含量为8％，钴盐、锌盐及镍盐的质量百分含量之和为17％；
2)聚合物纳米纤维的制备：将步骤1)中制备得到的静电纺丝前驱液注入至带有不锈钢针头的注射器中，并将注射器放置在静电纺丝机上，在不锈钢针头与静电纺丝机的接收器之间施加恒定的高压直流电压，通过旋转接收器进行静电纺丝，即得到聚合物纳米纤维，其中，不锈钢针头的内径为0.26mm，不锈钢针头与接收器之间的直流电压为20kV，并且不锈钢针头与接收器之间的距离为15cm，接收器的旋转速率为80r/min，注射器的推注速率为0.001mm/min；
3)催化剂的制备：先将聚合物纳米纤维置于马弗炉中，并在室温下以2℃/min的升温速率加热至200℃，之后恒温烧结3h，进行一次热处理；再将一次热处理后的聚合物纳米纤维置于管式炉中，同时向管式炉中通入氮气进行保护，并在室温下以1℃/min的升温速率加热至950℃，之后恒温烧结2h，进行二次热处理，即得到催化剂。
实施例6
一种镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)静电纺丝前驱液的制备：
1-1)分别将乙酸钴、乙酸锌及乙酸镍加入至N,N-二甲基甲酰胺中，得到溶液A；
1-2)将聚丙烯腈加入至N,N-二甲基甲酰胺中，得到溶液B；
1-3)将溶液A加入至溶液B中，混合均匀后，得到所述的静电纺丝前驱液，该静电纺丝前驱液中，高分子聚合物的质量百分含量为12％，钴盐、锌盐及镍盐的质量百分含量之和为6％；
2)聚合物纳米纤维的制备：将步骤1)中制备得到的静电纺丝前驱液注入至带有不锈钢针头的注射器中，并将注射器放置在静电纺丝机上，在不锈钢针头与静电纺丝机的接收器之间施加恒定的高压直流电压，通过旋转接收器进行静电纺丝，即得到聚合物纳米纤维，其中，不锈钢针头的内径为0.84mm，不锈钢针头与接收器之间的直流电压为10kV，并且不锈钢针头与接收器之间的距离为25cm，接收器的旋转速率为30r/min，注射器的推注速率为0.1mm/min；
3)催化剂的制备：先将聚合物纳米纤维置于马弗炉中，并在室温下以1℃/min的升温速率加热至300℃，之后恒温烧结30min，进行一次热处理；再将一次热处理后的聚合物纳米纤维置于管式炉中，同时向管式炉中通入氮气进行保护，并在室温下以5℃/min的升温速率加热至700℃，之后恒温烧结20h，进行二次热处理，即得到催化剂。
实施例7
一种镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)静电纺丝前驱液的制备：
1-1)分别将乙酸钴、乙酸锌及乙酸镍加入至N,N-二甲基甲酰胺中，得到溶液A；
1-2)将聚丙烯腈加入至N,N-二甲基甲酰胺中，得到溶液B；
1-3)将溶液A加入至溶液B中，混合均匀后，得到所述的静电纺丝前驱液，该静电纺丝前驱液中，高分子聚合物的质量百分含量为10％，钴盐、锌盐及镍盐的质量百分含量之和为12％；
2)聚合物纳米纤维的制备：将步骤1)中制备得到的静电纺丝前驱液注入至带有不锈钢针头的注射器中，并将注射器放置在静电纺丝机上，在不锈钢针头与静电纺丝机的接收器之间施加恒定的高压直流电压，通过旋转接收器进行静电纺丝，即得到聚合物纳米纤维，其中，不锈钢针头的内径为0.5mm，不锈钢针头与接收器之间的直流电压为15kV，并且不锈钢针头与接收器之间的距离为20cm，接收器的旋转速率为50r/min，注射器的推注速率为0.01mm/min；
3)催化剂的制备：先将聚合物纳米纤维置于马弗炉中，并在室温下以1.5℃/min的升温速率加热至250℃，之后恒温烧结1.5h，进行一次热处理；再将一次热处理后的聚合物纳米纤维置于管式炉中，同时向管式炉中通入氮气进行保护，并在室温下以3℃/min的升温速率加热至820℃，之后恒温烧结12h，进行二次热处理，即得到催化剂。
Claims (10)
1.一种镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：静电纺丝前驱液的制备：
步骤1-1)：依次将钴盐、锌盐、镍盐加入至有机溶剂中，得到溶液A；
步骤1-2)：将高分子聚合物加入至有机溶剂中，得到溶液B；
步骤1-3)：将溶液A加入至溶液B中，混合均匀后，得到静电纺丝前驱液；
步骤2)：聚合物纳米纤维的制备：通过静电纺丝技术，利用静电纺丝前驱液制备出聚合物纳米纤维；
步骤3)：催化剂的制备：将聚合物纳米纤维热处理后，即得镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂。
2.如权利要求1所述的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1-1)、1-2)中的有机溶剂均采用N,N-二甲基甲酰胺；步骤1-1)中的钴盐采用乙酸钴，锌盐采用乙酸锌，镍盐采用乙酸镍；步骤1-2)中的高分子聚合物采用聚丙烯腈。
3.如权利要求1所述的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1)制得的静电纺丝前驱液中，高分子聚合物的质量百分含量为8-12％，钴盐、锌盐及镍盐的质量百分含量之和为6-17％。
4.如权利要求1所述的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：将步骤1)制得的静电纺丝前驱液注入至带有不锈钢针头的注射器中，并将注射器放置在静电纺丝机上，在不锈钢针头与静电纺丝机的接收器之间施加恒定的高压直流电压，通过旋转接收器进行静电纺丝，即得聚合物纳米纤维。
5.如权利要求4所述的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，其特征在于，所述不锈钢针头的内径为0.26-0.84mm，不锈钢针头与接收器之间的直流电压为10-20kV，且不锈钢针头与接收器之间的距离为15-25cm；静电纺丝的过程中，接收器的旋转速率为30-80r/min，注射器的推注速率为0.001-0.1mm/min。
6.如权利要求1所述的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中聚合物纳米纤维热处理具体为：先将其在马弗炉中进行一次热处理，再在管式炉中进行二次热处理。
7.如权利要求6所述的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，其特征在于，所述一次热处理的具体过程为：将聚合物纳米纤维置于马弗炉中，并在室温下以1-2℃/min的升温速率加热至200-300℃后，恒温烧结30min-3h。
8.如权利要求6所述的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，其特征在于，所述二次热处理的具体过程为：将一次热处理后的聚合物纳米纤维置于管式炉中，并在室温下以1-5℃/min的升温速率加热至700-950℃后，恒温烧结2-20h。
9.如权利要求8所述的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法，其特征在于，所述二次热处理过程中，向管式炉中通入氮气进行保护。
10.一种权利要求1-9任意一项所述的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂制备的镍、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂在醇类燃料电池阴极催化剂中的应用。
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Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110474061A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-11-19 | 江苏师范大学 | 一种有序化碳纳米线负载氮化铬纳米粒子氧还原催化剂的制备方法 |
| CN110993961A (zh) * | 2019-12-09 | 2020-04-10 | 易航时代(北京)科技有限公司 | 一种核壳型八硫化九钴纳米颗粒复合氮硫共掺碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用 |
| CN111099567A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-05 | 武汉科技大学 | 一种磷化镍纳米纤维的制备方法 |
| CN111229280A (zh) * | 2020-02-19 | 2020-06-05 | 华侨大学 | 一种钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂的制备方法及其应用 |
| CN111554892A (zh) * | 2020-04-24 | 2020-08-18 | 宁波大学 | 一种锂电池负极材料Co3O4纳米纤维的制备方法 |
| CN111841546A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-10-30 | 陕西科技大学 | 一种钴镍合金/碳纳米纤维复合电催化剂及其制备方法和应用 |
| CN111910290A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-11-10 | 陕西科技大学 | 一种具有梯度分布的钴镍合金/碳复合电催化剂及其制备方法和应用 |
| CN112941669A (zh) * | 2021-02-02 | 2021-06-11 | 山东科技大学 | 一种金属-氮共掺杂的碳纳米纤维材料及其制备方法和应用 |
| CN113351259A (zh) * | 2021-07-16 | 2021-09-07 | 河南科技大学 | 钴纳米粒子/碳纤维复合介孔材料催化巯基化合物氧化合成二硫化物的方法 |
| CN113417032A (zh) * | 2021-05-17 | 2021-09-21 | 宁波工程学院 | 一种氮掺杂介孔碳纤维基非贵金属电催化剂的制备方法 |
| CN113644285A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-12 | 中汽创智科技有限公司 | 一种非贵金属氧还原催化剂及其制备方法 |
| CN115869934A (zh) * | 2022-10-31 | 2023-03-31 | 唐山三友集团兴达化纤有限公司 | 一种金属/碳纳米纤维过硫酸盐催化剂、制备方法及应用 |
| CN116377658A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-07-04 | 南京大学 | 一种纳米颗粒内嵌n掺杂碳纤维复合薄膜材料的制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103233299A (zh) * | 2013-05-20 | 2013-08-07 | 大连交通大学 | 多孔中空碳纳米纤维及其制备方法和应用 |
| KR20140014686A (ko) * | 2012-07-25 | 2014-02-06 | 서울대학교산학협력단 | 단일 노즐 동시전기방사 방법을 이용한 질소가 도핑된 산화아연 돌기가 표면에 붙어있는 산화주석 나노섬유 복합체 광촉매의 제조방법 |
| CN103606689A (zh) * | 2013-11-14 | 2014-02-26 | 清华大学 | 氧化改进型静电纺丝制备碳纳米纤维基非贵金属催化剂的方法 |
| CN108321401A (zh) * | 2018-03-01 | 2018-07-24 | 上海电力学院 | 一种铁、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法 |
-
2019
- 2019-04-08 CN CN201910275377.0A patent/CN109950562A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140014686A (ko) * | 2012-07-25 | 2014-02-06 | 서울대학교산학협력단 | 단일 노즐 동시전기방사 방법을 이용한 질소가 도핑된 산화아연 돌기가 표면에 붙어있는 산화주석 나노섬유 복합체 광촉매의 제조방법 |
| CN103233299A (zh) * | 2013-05-20 | 2013-08-07 | 大连交通大学 | 多孔中空碳纳米纤维及其制备方法和应用 |
| CN103606689A (zh) * | 2013-11-14 | 2014-02-26 | 清华大学 | 氧化改进型静电纺丝制备碳纳米纤维基非贵金属催化剂的方法 |
| CN108321401A (zh) * | 2018-03-01 | 2018-07-24 | 上海电力学院 | 一种铁、钴、氮共掺杂碳纳米纤维催化剂的制备方法 |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110474061A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-11-19 | 江苏师范大学 | 一种有序化碳纳米线负载氮化铬纳米粒子氧还原催化剂的制备方法 |
| CN110993961A (zh) * | 2019-12-09 | 2020-04-10 | 易航时代(北京)科技有限公司 | 一种核壳型八硫化九钴纳米颗粒复合氮硫共掺碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用 |
| CN110993961B (zh) * | 2019-12-09 | 2021-02-19 | 易航时代(北京)科技有限公司 | 一种核壳型八硫化九钴纳米颗粒复合氮硫共掺碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用 |
| CN111099567A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-05 | 武汉科技大学 | 一种磷化镍纳米纤维的制备方法 |
| CN111229280A (zh) * | 2020-02-19 | 2020-06-05 | 华侨大学 | 一种钴镍氮共掺杂碳纳米管催化剂的制备方法及其应用 |
| CN111554892A (zh) * | 2020-04-24 | 2020-08-18 | 宁波大学 | 一种锂电池负极材料Co3O4纳米纤维的制备方法 |
| CN111554892B (zh) * | 2020-04-24 | 2021-07-30 | 宁波大学 | 一种锂电池负极材料Co3O4纳米纤维的制备方法 |
| CN111841546B (zh) * | 2020-07-27 | 2023-02-03 | 陕西科技大学 | 一种钴镍合金/碳纳米纤维复合电催化剂及其制备方法和应用 |
| CN111841546A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-10-30 | 陕西科技大学 | 一种钴镍合金/碳纳米纤维复合电催化剂及其制备方法和应用 |
| CN111910290A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-11-10 | 陕西科技大学 | 一种具有梯度分布的钴镍合金/碳复合电催化剂及其制备方法和应用 |
| CN112941669A (zh) * | 2021-02-02 | 2021-06-11 | 山东科技大学 | 一种金属-氮共掺杂的碳纳米纤维材料及其制备方法和应用 |
| CN113417032A (zh) * | 2021-05-17 | 2021-09-21 | 宁波工程学院 | 一种氮掺杂介孔碳纤维基非贵金属电催化剂的制备方法 |
| CN113351259A (zh) * | 2021-07-16 | 2021-09-07 | 河南科技大学 | 钴纳米粒子/碳纤维复合介孔材料催化巯基化合物氧化合成二硫化物的方法 |
| CN113351259B (zh) * | 2021-07-16 | 2023-08-25 | 河南科技大学 | 钴纳米粒子/碳纤维复合介孔材料催化巯基化合物氧化合成二硫化物的方法 |
| CN113644285A (zh) * | 2021-08-18 | 2021-11-12 | 中汽创智科技有限公司 | 一种非贵金属氧还原催化剂及其制备方法 |
| CN115869934A (zh) * | 2022-10-31 | 2023-03-31 | 唐山三友集团兴达化纤有限公司 | 一种金属/碳纳米纤维过硫酸盐催化剂、制备方法及应用 |
| CN116377658A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-07-04 | 南京大学 | 一种纳米颗粒内嵌n掺杂碳纤维复合薄膜材料的制备方法 |
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