[发明专利]片状Co-MOF纳米材料的制备方法及其在电催化中的应用

说明书

片状Co‑MOF纳米材料的制备方法及其在电催化中的应用，涉及电解水、燃料电池和金属‑空气电池等技术领域，本发明的片状Co‑MOF电极材料是由简单水热法制备而成，采用的原材料环保、成本低，工艺简单，易于操作控制，适于连续化大规模生产，制备过程绿色环保。经实验证实，这种Co‑MOF纳米材料具有片状结构，由于其高的比表面积、优良的电导率等优异性能，可用于电催化。

技术领域

本发明涉及电解水、燃料电池和金属-空气电池等技术领域，特别是其电极材料的制备技术。

背景技术

化石燃料的过渡消耗及其所引起的环境污染问题，迫使着人们不断寻求清洁可再生新能源。因为通过电催化反应直接将化学能转换成电能，具有高转换效率、低噪声和低排放等优点。燃料电池和金属空气电池是目前很具有应用前景的新型能源装置。传统上使用金属氧化物（例如RuO₂和IrO₂）和贵金属（例如Pt）来加速析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR），然而，这些贵金属基催化剂通常具有高成本，低选择性，差的稳定性以及对环境不利的影响。因此，开发廉价和高效的非贵重金属材料用于电催化，以代替昂贵的基于Ir和Ru的化合物，人们已经作出了巨大的努力。钴（Co）已经成为设计和制造坚固的最常见的非贵重元素之一和高效的OER催化剂。

金属有机骨架材料（Metal-organic frameworks, MOFs）是一种由金属离子和有机配体通过配位键组装的无机-有机杂化功能材料，是近十几年来发展最为迅速的一种新型多孔材料，具有三维的孔结构，一般以金属离子为连接点，有机配位体支撑构成空间3D延伸，系沸石和碳纳米管之外的又一类重要的新型多孔材料，在催化、储能和分离中都有广泛应用。相比与其他配体材料，因为大表面积，高孔隙率，低密度，可控结构，可调孔径，MOFs材料被认为是未来纳米领域中最有前景的材料之一。

近年来，MOFs及其衍生物因其独特结构和物理化学性质，在电化学能源转换中的应用备受关注。MOFs作为电催化剂具有以下几个显著特点：（i）具有高度有序多孔结构，孔径分布均一，比表面积大，有利于活性组分的分散，为电催化反应提供大量活性位点；（ii）孔径的可调控性，通过调整金属中心和有机配体可得到超微孔到介孔各种孔径的MOFs材料，有利于复杂多孔催化剂的制备；（iii）易功能化和修饰，有利于MOFs与其他功能性物质相结合，制备复合材料，改善MOFs本身的电催化性能；（iv）可采用几种不同金属制备MOFs，并保持原来的拓扑结构。

发明内容

针对以上现有技术和缺陷，本发明首先提出一种片状Co-MOF纳米材料的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将二价钴盐溶于去离子水中，制得二价钴盐溶液；

将对苯二甲酸（C₈H₆O₄）溶于二甲基甲酰胺（DMF）与乙醇（C₂H₅OH）的混合溶液中，制得对苯二甲酸的DMF/C₂H₅OH溶液；

2）将所述二价钴盐溶液与对苯二甲酸的DMF/C₂H₅OH溶液混合，再加入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）进行水热反应，得到沉淀物；

3）将沉淀物以水和乙醇洗涤后干燥，即得片状Co-MOF纳米材料。

本发明的片状Co-MOF电极材料是由简单水热法制备而成，采用的原材料环保、成本低，工艺简单，易于操作控制，适于连续化大规模生产，制备过程绿色环保。

经实验证实，这种Co-MOF纳米材料具有片状结构，由于其高的比表面积、优良的电导率等优异性能，可用于电催化。