[发明专利]一种基于MOF制备的FePt@C复合纳米材料及其应用

说明书

本发明公开了一种基于MOF制备的FePt@C复合纳米材料及其在制备电催化燃料电池方面的应用。所述复合纳米材料是以三维MIL‑101(Fe)作为载体，通过加热回流将氯铂酸还原为Pt纳米粒子并包封到制备好的MIL‑101(Fe)空腔内，再经高温热解制得所述FePt@C复合材料。本发明将Pt与Fe形成合金纳米粒子，二者之间的协同作用可以促进电子结构的改变，增强FePt对HCOOH的亲和力，并可在很低的电势下形成表面氧化物，其甲酸氧化性能明显高于商业Pt/C，且本发明制备方法简单，有效解决了MOF的导电性差、Pt基催化剂成本高的问题，为其他MOF衍生的金属碳材料的制备及电催化应用提供了新方向。

技术领域

本发明属于电催化燃料电池制备领域，具体涉及一种基于MOF制备的FePt@C复合纳米材料及其制备方法和在电催化甲酸氧化方面的应用。

背景技术

近几年来，能源与发展问题已成为各国关注的重点。由于我国能源消费结构现状，化石燃料的大量使用已经引起了一系列的环境问题。为响应绿色发展的理念，迫切需要开发可再生、安全、清洁、高效和可持续的能源以及相关的储能技术。环保高效的电化学氧化还原技术备受关注，其中直接甲酸或甲醇燃料电池转换效率高、安全性能好、零污染，有很大的发展潜力，但反应效率低。因此，研发出高效、低廉的电催化剂来降低电化学反应的能垒，加快反应速率，有效解决能源短缺与环境污染，是一个有意义的课题。

Pt基催化剂对电化学氧化和还原反应有较好的催化活性，但是对于直接甲酸燃料电池（DFAFC）来说，Pt催化剂倾向于脱水途径，产生的一氧化碳（CO_ad）会将Pt毒化，阻碍进一步的氧化。从节约成本和提高甲酸催化氧化性能方面来看，迫切需要找到一种可以减少Pt基催化剂中毒的方法。目前发现一种可以减少Pt中毒的策略，是将Pt与第二种金属M（M =Fe，Cu，Co，Ni，Bi等）结合，形成的PtM合金纳米粒子中M具有亲氧性质，可以调节Pt中的电子和几何结构。不幸的是，这些小的金属纳米粒子（MNPs）表面能量高，热动力不稳定，很容易聚集，从而会降低其催化活性，因而需要找到一种有效的方法来稳定MNPs。

在众多材料中，金属-有机框架材料（MOF）是一种高度多孔的物质，具有可调的孔隙率和高表面积，可以用作孔内尺寸受控的MNPs的载体，进而形成MOF-MNPs，阻止MNPs的团聚，因此有利于其在催化方面等应用。但是MOF的导电性较弱，很少被用于电催化中。因此，构建一种以MOF为载体并具备优良导电能力的PtM双金属纳米粒子催化剂，在推动DFAFC的发展上有很重要的意义。

发明内容

为了克服上述材料的局限性，满足电催化甲酸燃料电池技术的发展需要，本发明提供了一种催化效率高、成本低廉、合成方法简便的FePt@C复合纳米材料及其制备方法与其在电催化甲酸氧化中的应用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于MOF制备的FePt@C复合纳米材料，其是以正八面体结构的三维MIL-101(Fe)作为载体，将还原的Pt纳米粒子包封在MIL-101(Fe)空腔内，形成大小为600 nm的Pt@MIL-101(Fe)，再将其经高温热解形成所述FePt@C复合纳米材料。所得FePt@C复合纳米材料为片状结构，其中FePt合金纳米粒子的尺寸为16±2 nm。

所述FePt@C复合纳米材料的制备方法包括以下步骤：

（1）以六水合三氯化铁作为铁源，对苯二甲酸作为配体，将两者按摩尔比2:1加入到N,N-二甲基甲酰胺中，超声使其溶解后，于110℃溶剂热反应20小时，并经干燥制得MIL-101(Fe)；

（2）将0.3 g步骤（1）制得的MIL-101(Fe)与0.0498 g PVP以及135 mL无水乙醇混合，在搅拌条件下逐滴加入7.0 mL、0.016 g/L的氯铂酸溶液，继续搅拌30 min后，在持续搅拌条件下于100℃加热回流3小时，合成含有Pt纳米粒子的Pt@MIL-101(Fe)复合材料；