[发明专利]一种MOF@石墨烯/泡沫镍复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种MOF@石墨烯/泡沫镍复合材料及其制备方法与应用，所述复合材料以泡沫镍为骨架，还原氧化石墨烯原位生长于泡沫镍表面及内部孔隙中，并且在泡沫镍和还原氧化石墨烯表面及孔隙内包覆有MOF材料。本发明提供的MOF@石墨烯/泡沫镍复合材料解决了传统MOF@石墨烯复合材料粉体特征的弊端，能够直接用于电极材料催化电解水反应，MOF@石墨烯/泡沫镍的复合结构可以提高活性位暴露、传质和电子传输，而且不用回收就能重复使用，实用性强。

技术领域

本发明属于以电极中材料组成或构成的结构特点为特征的电极领域，具体涉及一种MOF@石墨烯/泡沫镍复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着当今世界科学技术的快速发展以及人类文明的不断进步，人们在享受科技创新成果的同时，也面临着化石燃料使用所引起的能源短缺及环境污染等一系列问题。为了缓解上述问题，人们十分重视新型可再生清洁能源的开发和利用。氢能与风能、水能、太阳能等其它清洁能源相比，具有导热好、热值和能量密度相对较高、受天气环境限制小等诸多优势而被公认为是最适合替代传统化石燃料的能源载体。电解水制氢与矿物燃料制氢相比，是一种绿色、高效且大规模、可持续进行能源转化和储存的过程。电解水包括阳极的产氧反应(OER)和阴极的析氢反应(HER)，其中OER反应是一个四电子转移的动力学缓慢过程，往往需要消耗较高的能量。目前，常用的产氧催化剂贵金属基催化剂(RuO₂/IrO₂)催化效率较高，然而这些贵金属基催化剂的价格昂贵，储量有限，限制了其大规模工业化应用。因此，为了满足可持续能源的发展要求，开发应用高效廉价的析氧催化剂来替代昂贵的贵金属催化剂显得十分迫切。

传统的电极材料主要有纯碳基材料(如石墨烯、介孔碳、碳纳米管等)、过渡金属氧化物或氢氧化物等。其中，纯碳基材料具有低密度、高比表面积、高电导率、良好的热稳定性及结构可控等优点，使其在储能、传感、吸附、催化、阻燃等领域有着广阔的应用前景。但由于纯碳基材料活性位少且放电容量低，限制了其在电催化领域的广泛应用；过渡金属氧化物或氢氧化物主要由金属有机框架(MOF)热解得到，但由于高温热解过程极易受操作环境的影响(如升温速率，反应气氛)而导致原MOF结构的坍塌或出现团聚现象，使得到的过渡金属氧化物或氢氧化物不能达到理想的性能。因此越来越多的研究人员致力于直接利用初始MOF材料，但由于MOF材料的导电性差和循环稳定性差，抑制了其在能源存储和转化领域的应用。目前，石墨烯与MOF材料的复合材料被广泛研究，不同物相间界面的结合可以提供不同类型和丰富的活性位点，不同物相还可以调控界面电子传输，使多步反应的连续和快速发生变得可能。但传统的MOF@石墨烯复合材料多数以粉末形式存在，在制备成电极时，需要消耗昂贵的导电聚合物，制备过程繁琐，反应过程中产生的气体会导致粉末脱落，稳定性差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种MOF@石墨烯/泡沫镍复合材料，所述复合电极材料具有较大的活性面积和优良的催化活性，适用于电催化水解析氧领域，催化OER反应效率高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种MOF@石墨烯/泡沫镍复合材料，所述复合材料以泡沫镍为骨架，还原氧化石墨烯原位生长于泡沫镍表面及内部孔隙中，并且在泡沫镍和还原氧化石墨烯表面及孔隙内包覆有MOF材料。

优选的是，所述泡沫镍的形状为长方体形状。

按上述方案，所述还原氧化石墨烯的层数为单层或多层。

按上述方案，所述MOF材料为沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)，拉瓦锡骨架材料(MILs)，配位柱撑层状材料(CPLs)中的一种或多种，粒径为100nm-50μm，厚度为1nm-1μm。

本发明的目的之二在于提供一种上述MOF@石墨烯/泡沫镍复合材料的制备方法，具体步骤如下：