[发明专利]一种泡沫碳掺混ZIF-67热解衍生碳材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种泡沫碳掺混ZIF‑67热解衍生碳材料及其制备方法，其由以下方法制备得到：1)合成锌掺杂的泡沫碳；2)合成ZIF‑67；3)合成泡沫碳掺混ZIF‑67热解衍生碳材料：将锌掺杂的泡沫碳与ZIF‑67粉末混合均匀，然后置于管式炉中，在惰性气氛下进行热解处理并冷却至室温得到泡沫碳掺混ZIF‑67热解衍生碳材料。本发明利用锌掺杂的碳前驱体与ZIF‑67混合在惰性气氛下热解后的材料呈现出较大的比表面积，另外复合材料出现了大量的碳纳米管增强了电化学析氧/氢时电子的传输能力，提供的锌掺混ZIF‑67热解衍生碳材料具有高效的电催化性能，稳定性高，在碱性介质中具有优异的析氧/氢反应耐久性。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种泡沫碳掺混ZIF-67热解衍生碳材料及其制备方法。

背景技术

金属有机骨架化合物(简称MOFs)是通过金属中心与有机配体桥连而形成的具有高孔隙率和大比表面积的三维晶体材料。近年来因MOFs结构的多变性，功能的多样性而广泛应用于催化反应、气体吸附及能量转换及储存领域。由于MOFs材料金属中心离子与有机配体之间的配位键的稳定性介于共价键和氢键，因此实际应用受限于其热稳定性和化学稳定性。高温热解MOFs制备的多孔碳材料是解决这一问题的重要途径之一。热解得到的碳材料在一定程度上能保持前驱体的形貌和孔道，另外在热解过程中通常会分解生成CO₂、NO_x等气体，在气氛中氧不足的情况下则会转化为碳组分，从而形成含碳或含氮的化学键；金属离子则转变为金属纳米粒子或金属氧化物包裹在含氮碳键的碳材料基底中从而形成纳米多孔材料。通过这种方法制备的MOFs衍生的高导电性碳材料在电催化领域已经被大量报道，显示了其应用为电催化剂方面的巨大潜力。ZIFs即沸石咪唑酯骨架结构材料，是MOFs的一个子类，由于其廉价、金属含量高，具有良好的工业应用前景，被广泛用作合成电催化剂的前驱体。

氢气以可循环性和环保性，被认为是未来最主要的能源之一。电解水是制备氢气的一种高效简单和经济可行的方法，但是电解水的两个半反应析氢反应(HER)和析氧反应(OER)效率有限，因此就需要高效电催化剂来加速反应。通过在惰性氛围高温热解ZIF-67制备的钴纳米颗粒嵌入多孔含氮的碳材料作为双功能催化剂已有报道，该催化剂在1.0M KOH溶液中10mA/cm²的电流密度下，析氧过电位为370mV，析氢过电位为298mV。随着科技的进步，单纯热解ZIF-67得到的双功能催化剂的性能已不能满足人们的需求。本申请提供了一种泡沫碳掺混ZIF-67热解衍生碳材料，与单纯热解ZIF-67得到的双功能催化剂相比催化性能得到大幅度提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种具有高效析氧析氢双功能催化性能的泡沫碳掺混ZIF-67热解衍生碳材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种泡沫碳掺混ZIF-67热解衍生碳材料，其由以下方法制备得到：

1)合成锌掺杂的泡沫碳：将六水合硝酸锌与蔗糖粉末混合均匀，油浴加热得到蔗糖和硝酸锌的液态混合物后，快速置于鼓风干燥箱中干燥得到锌掺杂的泡沫碳；

2)合成ZIF-67：将六水合硝酸钴和2-甲基咪唑粉末分别溶于甲醇中并超声分散均匀得到硝酸钴溶液和2-甲基咪唑溶液，然后将两种溶液混合得到混合溶液，室温搅拌12～24h，离心并用甲醇醇洗至上清液清澈透明后，将沉淀真空干燥得到ZIF-67粉末；

3)合成泡沫碳掺混ZIF-67热解衍生碳材料：将步骤1)所得锌掺杂的泡沫碳与步骤2)所得ZIF-67粉末混合均匀，然后置于管式炉中，在惰性气氛下进行热解处理并冷却至室温得到泡沫碳掺混ZIF-67热解衍生碳材料(S-ZIF-67)。

按上述方案，步骤1)所述六水合硝酸锌与蔗糖粉末的质量比为2～4：1。