[发明专利]一种葡萄糖酸增强催化活性的MOF催化剂的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种葡萄糖酸增强催化活性的MOF催化剂的制备方法以及基于该催化剂电解水析氧的应用，属于纳米催化、纳米材料、金属有机框架物材料技术领域。其主要步骤是将间苯三甲酸溶液与硝酸镍溶液室温共混后，加入配制好的葡萄糖酸溶液，利用混合溶液作为电解液沉积到泡沫镍上,活化之后即得葡萄糖酸镍‑间苯三甲酸镍复合催化剂，即葡萄糖酸增强催化活性的MOF催化剂。该催化剂制备所用原料成本低，制备工艺简单，反应能耗低，具有工业应用前景。该催化剂用于高效催化电解水析氧，具有良好的析氧电催化活性与电化学稳定性。

技术领域

本发明涉及一种葡萄糖酸增强催化活性的MOF催化剂的制备方法以及基于该催化剂电解水析氧的应用，属于纳米催化、纳米材料、金属有机框架物材料技术领域。

背景技术

现代社会的飞速发展引起了对环保可再生能源氢气的巨大需求，它作为一种理想能源，被提议变成未来世界的主要利用能源，属于二次能源。如今，氢气的产生主要通过天然气的蒸汽甲烷重整（即水和甲烷之间反应形成H₂和CO₂）。因此，现在生产氢气伴随着一系列的温室效应，这样既没做到再生也不能进行碳中和。相对于现在应用广泛的重整制氢，利用水的电解生产氢可再生又环保。电催化直接分解水制备氢气被认为实现该过程有效的方式。电催化分解水反应包括析氢(hydrogen evolution reaction，HER)和析氧(oxygenevolution reaction，OER)两个半反应，来自电阻、反应以及传输三个方面系统本征的能量损耗以及现有催化剂的价格、活性和稳定性方面的因素，都极大地限制了其推广和广泛应用。尽管析氧仅是一个副反应，但是为了驱动析氧反应给系统运行带来的功耗损失却最大，成为提高整体效率的瓶颈。寻找廉价易得且性能稳定的新型析氧电催化剂，对长远发展氢能、减小环境污染乃至缓解世界范围内的能源问题，具有广泛且重要的现实意义。

在众多的析氧催化剂中，对于MOF的研究越来越广泛和深入。金属-有机骨架材料（Metal-OrganicFrameworks）是指过渡金属离子与有机配体通过自组装形成的具有周期性网络结构的晶体多孔材料。它具有高孔隙率、低密度、大比表面积、孔道规则、孔径可调以及拓扑结构多样性和可裁剪性等优点，使得MOF在气体储存、分离、催化、识别和药物传输等领域获得了广泛的应用。

二氧化铱(IrO₂)和二氧化钌(RuO₂)是目前析氧催化剂中性能很好的组成部分，但是成本较高，因此开发高效、价廉且地球含量丰富的非贵金属析氧催化剂，降低析氧电消耗成为一个机遇和挑战。间苯三甲酸与硝酸镍形成的MOF已被许多实验及文献证实在电化学方面有着优异的性能，例如2018年孙旭平的团队用间苯三甲酸与硝酸镍合成了Ni₃(BTC)₂，并用来检测析氧性能，检测结果证明Ni₃(BTC)₂能够达到很好的析氧效果。提高析氧性能的途径一是使用更加稳定且性能更好的前驱体MOF以及基底如碳布、泡沫镍等，再者就是进行掺杂，常用的掺杂物质有石墨烯、含氮或含磷化合物、葡萄糖等等，早在1994年，ChebroluP. Rao就证实了糖类衍生物可以通过降低溶液pKa值来合成，并在文章中提及糖类衍生物的电化学使用价值[Chebrolu P. Rao等，Polyhedron, 1994, 13, 1895-1906],

目前，据我们所知，在此基础上掺杂葡萄糖酸进行析氧性能的研究未见报道。葡萄糖酸成本低，制备简易，价格低廉，本开发首先制备了间苯三甲酸-硝酸镍溶液，加入葡萄糖酸之后采用电化学沉积法，活化后制备了葡萄糖酸镍-间苯三甲酸镍复合催化剂，即一种葡萄糖酸增强催化活性的MOF催化剂。

发明内容

本发明的技术任务之一是为了弥补现有技术的不足，提供一种葡萄糖酸增强催化活性的MOF催化剂，即葡萄糖酸镍-间苯三甲酸镍复合催化剂的制备方法，该方法所用原料成本低，制备工艺简单，反应能耗低，具有工业应用前景。