[发明专利]共价有机框架/过渡金属酸镧复合材料及其制法与应用

说明书

本发明公开了一种共价有机框架/过渡金属酸镧复合材料及其制法与应用。所述制法包括：将共价有机框架前驱体、过渡金属酸镧纳米片均匀混合并发生反应，在过渡金属酸镧纳米片表面原位生长共价有机框架材料，并进行层层自组装，形成取向性一致的共价有机框架/过渡金属酸镧纳米片复合结构，其中所述共价有机框架前驱体所带电荷与过渡金属酸镧纳米片所带电荷的电性相反；在保护性气氛中，对所述共价有机框架/过渡金属酸镧纳米片复合结构进行退火‑碳化处理，获得共价有机框架/过渡金属酸镧复合材料。本发明通过自组装的方式可以得到共价有机框架材料和过渡金属酸镧纳米片复合的电催化剂，可广泛应用于氧双功能及金属‑空气电池的研究。

技术领域

本发明涉及一种双功能电催化电极，特别涉及一种共价有机框架/过渡金属酸镧纳米片复合材料及其制备方法，以及该复合材料在制备空气电极(氧催化电极)中的应用，属于能源与清洁技术领域。

背景技术

目前，最有希望应用于电动力汽车的零污染电池是具有高效、清洁、高能量密度等突出优点的金属空气电池。金属空气电池的核心组分是驱动氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的双功能催化剂。与氧结合的空气电极电催化剂是影响金属-空气电池的性能和成本不可避免的决定因素，制备性能良好的双功能非贵金属催化剂仍面临着巨大的挑战。(Cheng F,Chen J.ChemInform Abstract:Metal-Air Batteries:From Oxygen ReductionElectrochemistry to Cathode Catalysts[J].Chemical Society Reviews,2012,41(6):2172-2192.Tiwari A,Kim D,Kim Y,et al.Bifunctional Oxygen Electrocatalysisthrough Chemical Bonding of Transition Metal Chalcogenides on ConductiveCarbons[J].Advanced Energy Materials,2017:1602217-1602225.)。共价有机框架(COFs)通过强有力的共价键将轻质元素(C、H、N)连接，这类材料的密度非常小，孔结构非常稳定，热稳定性非常好，同时具有极大的比表面积，密集的催化位点，使其成为一种良好的异相催化剂。COFs可以分为二维和三维COFs，在二维COFs材料中，层与层之间构建的有序的π体系，这种有序共价柱状结构可以促进孔道堆积方向的载流子的转移。尽管COFs具有较高孔道堆积载流子和内载流子迁移率，但其宏观电导率却较差，该现象的形成主要是由COFs取向不一致，片晶之间形成边界阻碍载流子的传递引起的，该现象极大地影响了COFs在电催化中的应用。因此，制备取向性高度一致的COFs是推动其在氧催化中应用的重要途径。(S.Wang,Q.Wang,P.Shao,et al.Exfoliation of Covalent Organic Frameworks intoFew-Layer Redox-Active Nanosheets as Cathode Materials for Lithium-IonBatteries,Journal of the American Chemical Society.2017，139：4258-4261.X.Ding,L.Chen,Y.Honsho,et al.An n-channel two-dimensional covalent organicframework,Journal of the American Chemical Society.2011,133:14510-14513.Y.Peng,Y.Huang,Y.Zhu,B.Chen,L.Wang,Z.Lai,Z.Zhang,M.Zhao,C.Tan,etal.Ultrathin Two-Dimensional Covalent Organic Framework Nanosheets:Preparation and Application in Highly Sensitive and Selective DNADetection,Journal of the American Chemical Society.2017,139:8698-8704.S.Wan,J.Guo,J.Kim,et al.Aphotoconductive covalent organic framework:self-condensed arenecubes composed of eclipsed 2D polypyrene sheets for photocurrent generation,Angewandte Chemie.2009,48:5439-5442.S.Y.Ding,J.Gao,Q.Wang,Y.Zhang,etal.Construction of covalent organic framework for catalysis:Pd/COF-LZU1 inSuzuki-Miyaura coupling reaction,Journal of the American ChemicalSociety.2011,133:19816-19822.D.Sun,S.Jang,S.-J.Yim,L.Ye,et al.Metal DopedCore-Shell Metal-Organic Frameworks@Covalent Organic Frameworks(MOFs@COFs)Hybrids as a Novel Photocatalytic Platform,Advanced FunctionalMaterials.2018,28:1707110-1707116.)。