[发明专利]一种复合纳米结构催化剂及其制备和应用

说明书

一种复合纳米结构催化剂，由金属有机框架化合物纳米片层及负载于其片层上的金属纳米粒子两部分构成；所述金属有机框架化合物纳米片层与金属纳米粒子物质的量的比为2：1‑50：1。所述复合纳米结构催化剂的制备方法包括金属纳米粒子胶体的制备和复合纳米结构催化剂的制备两个步骤。与现有技术相比，本发明所述催化剂具有催化活性优异、结构组分可按需调变、应用范围广泛等优点；相比于其他制备方法，本方法的制备过程无需高温高压、反应条件温和、可控性强，减少了其他方法带来的不可控因素，实用性强。

技术领域

本发明涉及一种新型复合纳米结构催化剂及其制备方法，具体地说这种复合纳米结构催化剂具有超薄金属有机框结构纳米片层与金属纳米粒子两部分，其片层厚度、尺寸、纳米粒子粒径均可调节，其可用于电化学氧还原反应、氧析出反应、氢析出反应、小分子醇类氧化反应、有机分子电化学合成反应的体系中。

本发明还涉及上述复合材料的制备方法。

背景技术

电化学催化反应在能源技术、分析表征技术、电子与信息技术以及材料合成技术等国民经济重要领域具有不可替代的作用。电化学催化剂的结构设计与材料合成是该领域的核心技术之一。随着纳米技术的不断发展与在能源材料领域的深入研究，具有纳米尺度的新材料及其具有的特殊物化性质得到了广泛的应用。其中，金属有机框架结构(MOFs)作为近年来发展起来的新型纳米多孔材料，由于其具有有序孔结构、高化学活性、高比表面积等优异的性质，在电化学催化领域具有极大的应用潜力。基于MOFs材料的电化学催化研究，目前开拓出了包括氧还原反应(ORR)、氧析出反应(OER)等能源器件密切相关的催化反应体系，以及有机小分子合成、二氧化碳电还原等材料环境相关的催化体系等。但与此同时，我们也发现MOFs材料由于其自身的不稳定性、导电性能不足等缺陷，在电催化领域的应用仍旧面临着活性、稳定性的严峻挑战。

鉴于此，开发一种具有高活性、高稳定性，且结构可控的的新型MOFs催化剂，是未来MOFs材料实现其应用价值的关键步骤之一，也可能在电化学催化领域开拓全新的研究应用领域。

发明内容

本发明将制备一种新型复合纳米结构催化剂，具体地说这种复合纳米结构催化剂具有超薄金属有机框结构纳米片层与金属纳米粒子两部分，其片层厚度、尺寸、纳米粒子粒径均可调节，其可用于电化学氧还原反应、氧析出反应、氢析出反应、小分子醇类氧化反应、有机分子电化学合成反应的体系中。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种复合纳米结构催化剂，由金属有机框架化合物纳米片层及负载于其片层上的金属纳米粒子两部分构成；所述金属有机框架化合物纳米片层与金属纳米粒子物质的量的比为2：1-50：1。

所述金属有机框架化合物为金属离子与配体构成；所述金属离子为镍、钴、铜、铁、锆中的一种或两种以上；所述配体为吡啶及其衍生物、芳香羧酸及其衍生物中的一种或两种以上。

所述金属纳米粒子为铂、钌、钯、金、银中的一种或两种以上的合金；所述金属纳米粒子的直径范围为1-20nm。

所述金属有机框架化合物纳米片层的厚度为1-10nm。

所述复合纳米结构催化剂的制备方法，包括金属纳米粒子胶体的制备和复合纳米结构催化剂的制备两个步骤，如图1所示；

所述复合纳米结构催化剂的制备过程为：

a.于二甲基甲酰胺、水、乙醇中的一种或两种以上的混合溶剂中加入过渡金属盐形成过渡金属盐溶液；

b.于步骤a所述过渡金属盐溶液中加入与过渡金属盐同样物质的量的有机配体分子；随后加入金属纳米粒子胶体，超声分散均匀得混合溶液；所述金属纳米粒子胶体与过渡金属盐的物质量的比为1:50至1:2；