[发明专利]一种基于Cu-BTC合成的碳壳包覆合金催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于Cu‑BTC合成的碳壳包覆合金催化剂及其制备方法，属于催化剂材料制备领域。首先合成Cu‑BTC材料，对其高温煅烧形成Cu/C复合粉末，然后，将Cu/C复合粉末置于控温烘箱缓慢升温将其氧化成Cu₂O/C复合粉末，最后，通过高温水热法，使不同金属负载在Cu₂O表面，再通过酸处理将Cu₂O除去以形成内部空心的壳层结构，同时Cu₂O中部分Cu离子在酸处理过程中与其他金属结合形成合金，整个制备过程不会破坏Cu‑BTC外面的碳膜，最终得到的材料为一种碳包覆的空壳的合金催化剂。本发明可以实现不同组分合金催化剂的合成，合金的空壳结构能够大幅度提高金属原子的暴露；由于金属合金被碳膜包裹，还能够有效阻止其在使用过程中的流失，从而显著提高合金催化剂的活性和稳定性。

【技术领域】

本发明属于催化剂材料制备领域，具体涉及一种基于Cu-BTC合成的碳壳包覆合金催化剂及其制备方法。

【背景技术】

化石能源的过度消耗已成为阻碍人类社会进步和科技发展的主要因素，也是造成环境污染的主要来源之一。进入21世纪以来，世界各国都在努力开发新的清洁能源技术，如：太阳能、催化水产氢/氧、燃料电池发电等，其中，催化剂材料的开发与使用是保证这些能源技术能够商用的关键材料之一。

理论上，催化剂是指能够改变反应物化学反应速率且本身的质量和化学性质均不会发生改变的物质，而事实上，催化剂在实际使用过程中往往会因为化学反应中的复杂情况而发生溶解、流失、中毒甚至是完全失活。因此，如何开发设计高性能且稳定的催化剂就变得尤为重要。

近年来，合金化和结构设计被认为是有效解决上述催化剂所存在问题的主要手段。原因在于不同金属合金化后不仅会影响其电子结构，还能显著提升在催化过程中的稳定性，改变催化性能。如果在合金化的同时再采取其他手段控制金属合金的结构形貌，使其暴露出更多的表面，则能够进一步改善催化剂的活性。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于Cu-BTC合成的碳壳包覆合金催化剂及其制备方法；该制备方法制备出一种合金的空壳结构，一方面能够大幅度提高金属原子的暴露，此外，金属合金被碳膜包裹，还能够有效阻止其催化过程中的流失，从而显著提高其催化活性和稳定性，具有较高的实用价值。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于Cu-BTC合成的碳壳包覆合金催化剂，所述碳壳包覆合金催化剂的结构为碳空壳内包覆有金属M和Cu；所述金属M为除Cu以外的其他金属；所述碳壳为多面体结构。

优选的，所述金属M为一元金属或多元合金。

一种基于Cu-BTC合成的碳壳包覆合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将粉状Cu-BTC煅烧后生成Cu/C复合粉末，将Cu/C复合粉末氧化后生成Cu₂O/C复合粉末；

(2)将Cu₂O/C复合粉末溶于水中，形成Cu₂O/C水溶液，在Cu₂O/C水溶液中加入金属盐，然后加入聚丙烯酸钠调节溶液的pH值至8-9，形成反应体系；反应体系水热反应后得到反应产物溶液，通过硝酸将反应产物溶液的pH值调节至1.5-3，得到酸化后的反应产物溶液，将酸化后的反应产物溶液离心处理，将离心产物洗涤烘干后得到碳壳包覆合金催化剂。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤(1)中，粉状Cu-BTC的煅烧温度为500-700℃，煅烧时间为1-3h。

优选的，步骤(1)中，Cu/C复合粉末氧化温度为70-90℃，氧化时间为7-9h。