[发明专利]一种基于金属有机骨架的掺氮碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于金属有机骨架的掺氮碳材料及其制备方法和应用，其制备方法包括以下步骤：将Co(NO₃)₂·6H₂O和5‐羧基苯并三氮唑按比例在有机溶剂中溶解，混合均匀，在473K下，保持12小时，得到晶体，干燥得前驱体；将前驱体在惰性气氛中经高温热解并且用尿素作为氮源掺氮然后再次高温获得掺氮碳材料的催化剂；本发明制备的非贵金属催化剂在碱性电解质中具有高的氧还原催化活性和稳定性、优异的碱耐受性，且所用原料成本低廉，制备方法简便、易于操作。

技术领域

本发明涉及一种基于有机金属骨架(MOF)的掺氮碳材料，具体的说，涉及一种由MOF制得的具有氧还原催化活性的掺氮碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源作为人类社会前进的动力，在其发展过程中起着非常重要的作用。目前，人类对能源的需求越来越大，传统的化石燃料正在被大量消耗，能源危机已经日益凸显。另一方面，化石燃料燃烧时会产生大量的二氧化碳、氮氧化合物、硫化物等废气和粉尘等有害物质，由此引发的温室效应和环境污染等问题，严重威胁着人类的生存环境。因而能源短缺与环境污染两大问题受到了前所未有的关注，各国都在致力于探索开发清洁、高效、可持续发展的新型能源。

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化成电能的电化学反应装置，其原理和结构同普通意义上的电池完全不同。燃料电池通过电化学机制，将化学能直接转化成电能，不通过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，其能量转化率高，并且环境友好，排放的产物相对清洁，正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府和大公司的重视，被认为是世纪首选的洁净、高效的发电技术。然而限制燃料电池发展的一个重要因素就是阴极氧还原反应的催化剂，铂炭催化剂效果虽好，但是铂作为贵金属，地壳中含量低，无法大规模应用，所以开发一种不含贵金属或者不含金属的氧还原催化剂尤为重要，这是一个有吸引力的研究课题。

发明内容

本发明的目的是以MOF为前驱体，一步热解得到碳骨架材料，在一定的温度下，利用尿素掺氮，然后再次热解的方法合成一种由MOF制得的掺氮碳材料。

本发明采用的技术方案是：一种基于金属有机骨架的掺氮碳材料，制备方法包括如下步骤：

1)将Co(NO₃)₂·6H₂O，5‐羧基苯并三氮唑，溶剂为N,N‐二甲基甲酰胺和水，加入容器中，于常温下搅拌45分钟；

2)将容器密封后放入烘箱中，于473K下，保持12小时；

3)以4℃/min的速率降到室温，静置至少1天后，得到晶体；

4)将晶体用N,N‐二甲基甲酰胺洗涤，过滤，干燥，得到前驱体；

5)以5℃/min的升温速率升温至800℃，在惰性气氛中，于800℃，对前驱体进行热解处理3‐4h，冷却至室温，获得碳骨架；

6)将所得碳骨架浸泡在氮源的甲醇溶液中，室温搅拌12‐14h，洗涤，干燥；

7)将干燥后的产物以5℃/min的升温速率升温至900℃后，再热解处理3‐4h，得基于金属有机骨架的掺氮碳材料(标为C900+U)。

上述的一种基于金属有机骨架的掺氮碳材料，按质量比，Co(NO₃)₂·6H₂O:5‐羧基苯并三氮唑＝2.5‐3.5:1。

上述的一种基于金属有机骨架的掺氮碳材料，步骤1)中，按体积比，N,N‐二甲基甲酰胺:水＝1‐2:1。

上述的一种基于金属有机骨架的掺氮碳材料，所述的氮源为尿素。