[发明专利]氮掺杂碳包覆的Co基MOF衍生材料和制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳包覆的Co基MOF衍生材料的制备方法，包括以下步骤：制备金属有机框架化合物ZIF‑67,取硝酸钴和甲基咪唑用水溶解于反应釜中，反应温度为150～200℃，反应时间2h，反应冷却后得到金属有机框架化合物ZIF‑67；制备固体混合物,取金属有机框架化合物ZIF‑67、聚乙烯吡咯烷酮和三聚氰胺溶解于水中得到混合溶液，将混合溶液冷冻干燥，得到固体混合物；制备氮掺杂碳包覆的Co基MOF衍生材料,将固体混合物置于火炉中，并用氩气进行吹扫，在温度为800～1000℃煅烧2h，冷却得到氮掺杂碳包覆的Co基MOF衍生材料。该制备过程中原料方便易得，合成路线简单，且得到的衍生材料在电解水过程中阳极反应和阴极反应均具有较好的催化效果。

技术领域

本发明涉及催化剂的技术领域，具体的说，是指一种氮掺杂碳包覆的Co基MOF衍生材料及其制备方法和氮掺杂碳包覆MOF衍生Co-CoP复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，传统的能源供给已不能满足人们的需求，化石能源的使用会造成较为严重的环境污染，水电的发电形式会造成自然生态的改变，核能发电有着潜在的辐射危险，地热发电可能会导致地震等自然灾害，因此，安全、清洁的氢能成为了一种理想的可再生能源。但是，氢能是一种二次能源，不能像化石能源或者太阳能等一次能源可以直接从自然界中获取，它必须通过一定的方法利用其它能源制取。

在自然界中，氢易和氧结合成水，必须用电分解的方法把氢从水中分离出来。在实际的电解水过程中，两个电极反应均会由于IR降等因素导致过电位的产生，造成能量的大量损失，研究中发现使用电解水催化剂能有效的减少过电位。

现有的电解水催化剂多为贵金属基催化剂，但是贵金属基催化剂存在较多的问题，比如在电解水催化过程中，贵金属的储量有限、催化活性较差、催化效果差、不能满足大规模商业化的需求，与此同时采用贵金属会造成生产成本提高。

发明内容

本发明提供一种氮掺杂碳包覆的Co基MOF衍生材料及其制备方法和氮掺杂碳包覆MOF衍生Co-CoP复合材料及其制备方法，用于解决现有技术中存在：贵金属催化剂在电解水催化过程中，贵金属的储量有限，催化活性较差，催化效果较大，并且不能满足大规模商业化需求的技术问题。

本发明的第一个目的在于提供一种氮掺杂碳包覆的Co基MOF衍生材料的制备方法，包括以下步骤：

制备金属有机框架化合物ZIF-67

取硝酸钴和甲基咪唑用水溶解于反应釜中，反应温度为150～200℃，反应时间2h，反应冷却后得到金属有机框架化合物ZIF-67；

制备固体混合物

取金属有机框架化合物ZIF-67、聚乙烯吡咯烷酮和三聚氰胺溶解于水中得到混合溶液，将混合溶液冷冻干燥，得到固体混合物；

制备氮掺杂碳包覆的Co基MOF衍生材料

将固体混合物置于火炉中，并用氩气进行吹扫，在温度为600～1000℃煅烧2h，冷却得到氮掺杂碳包覆的Co基MOF衍生材料。

为了更好的实现本发明，进一步的，取硝酸钴和甲基咪唑用水溶解于反应釜中，反应温度为180℃，反应时间2h，反应冷却后得到金属有机框架化合物ZIF-67。

为了更好的实现本发明，进一步的，将固体混合物置于火炉中，并用氩气进行吹扫，在温度为800℃煅烧2h，冷却得到Co基MOF衍生材料。

在此特别说明，优选氩气作为保护性气体，如果选用空气来作为保护气体，会造成碳与空气中的氧气反应，生成CO₂，不利于反应的生成；在整体的反应过程中高温煅烧是有机碳转化为具备导电性的无机碳，此外800℃以上的煅烧温度使无机碳的石墨化程度提高，进一步增强导电性；虽然高温有利于增加碳的导电性，但是温度过高会使金属团聚，因此800℃是经过试验后选取的较优温度。