[发明专利]一种碳纳米管与共价有机框架复合的OER催化剂

说明书

本发明公开了一种碳纳米管与共价有机框架复合的OER催化剂，属于电解水催化技术领域。本发明所述的碳纳米管与共价有机框架复合的OER催化剂是由分子催化剂和导电碳载体组成，所述分子催化剂是由共价有机框架COFs与金属离子通过配位作用形成的，所述导电碳载体为碳纳米管CNTs。本发明结合CNTs的高导电性和表层活性材料金属配位COFs的协同作用，大大提高了催化传导、传质及活性位点的可及性从而提高其析氧催化活性。而且采用溶剂热制备方法，既简单又安全。

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管与共价有机框架复合的OER催化剂，属于电解水催化技术领域。

背景技术

随着世界经济的发展，能源和环境问题日渐严重。目前，人类使用的主要能源仍然是传统的如煤、天然气和石油等不可再生能源。有限资源的枯竭促使人们研究一系列可再生能源作为替代，其中氢能以其高效、绿色而备受关注。基于能量的转化和存储设计的燃料电池、金属-空气电池、碱性电解水等转换系统，其原理均为双电极体系。阳极部分的析氧反应(OER)是一个四电子-质子耦合反应，比阴极部分的双电子转移反应需要更高的过电势，OER作为电解水急需突破的瓶颈，电极的动力学障碍是其致命缺点。因此，关键是找到低过电势的OER催化剂。早期，Ru0₂和Iro₂被发现是最有效的OER催化剂，然而，由于稀缺性和高成本，限制了它们的普遍应用。所以开发高效、经济的OER催化得到了广泛的关注。

至今，人们已经研究出了多种储量丰富、廉价有效的OER催化剂，包括金属的磷化物、氮化物、硫化物、氧化物和氢氧化物等，但是常规的金属催化剂原子利用率低并且催化选择性不佳。于是分子催化剂受到了研究者的关注，常见的如卟啉、酞菁分子等，不仅具有明确的活性位点充分发挥金属的催化性能，应用于不同的催化体系，同时可精确定制结构，通过配体的种类影响电子的转移速率、空间位阻、水溶性等，从而体现出不同的催化活性。

COFs是以有机单体以原子精度的形式构筑成的有序结构，由共价键连接，具有良好的热稳定性、较大的比表面积和较低的骨架密度，大的π-π共轭体系和开放规整的孔道，有利于电子在材料中传递，可应用于气体的存储和吸附分离、催化、能源、化学传感和生物医药等方面。但是，COF的形貌构筑会通过对传质的促进作用而直接影响其催化性能，但COF作为有机分子的聚合物不可避免的具有较差的导电性，这也是制约COF作为OER催化剂的重要因素。

发明内容

为了解决上述至少一个问题，本发明通过引入导电性优异的碳纳米管CNTs作为催化剂的基底，与COFs结合得到的复合材料，从而在保证COFs均匀且高孔隙度分布的基础上提高其导电性。2D COF堆叠而形成分层的重叠结构表现出周期性的有序柱结构，有利于电荷载流子在堆积方向上的输运，可以通过选择不同的有机单体引入共轭体系、活性官能团等来控制材料的活性位点数量和电子传输效率。此外，本发明所述的碳纳米管与共价有机框架复合的OER催化剂催化活性较高，而且制备方法工艺简单、成本低廉。

本发明的第一个目的是提供一种碳纳米管与共价有机框架复合的OER催化剂，所述的OER催化剂的组分包括分子催化剂和导电碳载体，所述分子催化剂是由共价有机框架COFs与金属离子通过配位作用形成的，所述导电碳载体为碳纳米管CNTs。

在本发明的一种实施方式中，金属离子的用量是共价有机框架COFs质量的1-7倍。

在本发明的一种实施方式中，所述的CNTs的直径为11nm左右。

在本发明的一种实施方式中，所述的分子催化剂和导电碳载体的质量比为30:1-1:20。

本发明的第二个目的是本发明所述的一种碳纳米管与共价有机框架复合的OER催化剂的制备方法，包括如下步骤：