[发明专利]一种多级孔ZIFs电催化剂及其制备方法

说明书

本申请提供了一种多级孔Z I Fs电催化剂及其制备方法。该方法包括：制备含有ZI F‑8前驱体的聚甲基丙烯酸甲酯模板；向20m l双溶剂中加入含有ZI F‑8前驱体的聚甲基丙烯酸甲酯模板，以制备ZI F‑8晶体,所述双溶剂由氨水和甲醇组成；将ZI F‑8晶体与以Co(NO₃)₂,2‑甲基咪唑为溶质、甲醇为溶剂的混合溶液混合形成杂化反应溶液以得到m‑ZI F，其中，杂化反应溶液中Zn²⁺与Co²⁺摩尔比为1：X，其中，0X1；碳化m‑ZI F，得到m‑ZI F‑T。该方法制备出来的催化剂具有多级孔道和多维度结构，可实现协同作用，催化效率高等特点。

技术领域

本发明实施例属于电催化电极材料的制备领域，尤其涉及一种多级孔ZIFs电催化剂及其制备方法。

背景技术

发展燃料电池、金属空气电池等新型电池对于实现能源的可持续利用，绿色发展有着重要作用。然而，其中的阴极反应(氧还原反应，ORR)存在动力学过程缓慢、效率低的问题。贵金属Pt及其合金等电催化剂被认为是高效的催化剂，能够加速这一过程。但是研究表明，铂储量少，价格高，电化学稳定性差，易发生催化剂中毒(J.Am.Chem.Soc.2020,142(42),17812-17827.)。另外，Pt的负载量高，这也限制了电池的实际应用。因此，发展一种高效，低廉，高稳定的非贵金属催化剂是解决这一问题的一个重要研究方向。

发明内容

多级孔材料和多级结构因其独特的协同作用在电催化领域具有潜在的应用(Chemical Society Reviews,2013,42(9),3876-3893)。其中，多级孔材料中微孔有利于气体的吸附和离子的积累，介孔和大孔有利于活性位点的暴露，增加与电解液的接触，加强传质效率，减小迁移阻力，提高电催化活性。多级结构中，一维的碳纳米管可以提高电荷转移速率，提高电流密度，二维材料则可以暴露更多的活性位点，三维骨架则可以保持良好的机械性能，在电催化过程中保证结构不坍塌。因此联合多级孔材料和多级结构可以发挥协同作用，实现电催化性能的提升。

金属有机骨架化合物(Metal Organic Frameworks，MOFs)是由过渡金属离子和有机配体通过自组装而形成的周期性网状结构晶体多孔材料，具有大的比表面积，孔径均一、拓扑结构可调，结构多样等优点(Angew.Chem.Int.Edit.2020,59(12),4634-4650.)。但是MOFs多为微孔，在氧还原测试过程中产生的水会淹没孔道，不利于电化学反应的进行。因此，构建多级孔MOFs，实现多级孔道的协同作用，从而实现催化性能的提升具有重要意义。另外过渡金属，如Fe和Co等在高温下可以催化MOFs材料产生碳纳米管，同时作为活性物种参与氧还原的过程。因此，结合两者的优点设计催化剂能够实现协同作用，促进氧还原反应的进行。

本发明提出了使用聚甲基丙烯酸甲酯模板法合成多级孔咪唑沸石骨架化合物(Zeolitic imidazolate framework，ZIFs)的方案，在金属元素的催化下，煅烧后还产生了一维碳纳米管结构，该转变可提高电荷转移速率及电流密度进而提高电催化效率，实现了多级孔与多维材料(一维碳纳米管、主体的其他维度结构)的协同催化效果。

根据本发明实施例，提供一种多级孔ZIFs电催化剂的制备方法，包括以下步骤：制备含有ZIF-8前驱体的聚甲基丙烯酸甲酯模板；向20ml双溶剂中加入含有ZIF-8前驱体的聚甲基丙烯酸甲酯模板，以制备ZIF-8晶体,所述双溶剂由氨水和甲醇组成；将ZIF-8晶体与以Co(NO₃)₂,2-甲基咪唑为溶质、甲醇为溶剂的混合溶液混合形成杂化反应溶液以得到m-ZIF，其中，杂化反应溶液中Zn²⁺与Co²⁺摩尔比为1：X，其中，0X1；碳化m-ZIF，得到m-ZIF-T。