CN109569607A - 一种新型钴基复合材料的制备方法 - Google Patents

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张春勇
郑德峰
苏蕾
应琪
林贵虹
黄琳娜
刘凤洁
江霖
夏雨
李钟杰
舒莉
顾怡华
程洁红
秦恒飞
朱炳龙
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    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/74—Iron group metals
    • B01J23/75—Cobalt

Abstract

本发明提供一种新型钴基复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)分别量取DMF、甲醇和去离子混合后，制得混合溶液A；(2)分别取钴盐和2,5‑二羟基对苯二甲酸，置于混合溶液A中，超声处理，得到混合溶液B；(3)取干燥的碳纤维布与溶液B一同转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢水热釜中，然后进行恒温水热反应，待反应釜冷却至室温，取出碳纤维布，常温干燥待用,去除反应釜中的上层溶液，离心，再用甲醇或乙醇多次洗涤，所得样品真空干燥得到样品Co‑MOF‑74；(4)取常温干燥待用的碳纤维布，置于瓷舟中，350～1000℃煅烧1～5小时，冷却至室温，制得新型钴基复合材料。

Description

一种新型钴基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法，具体涉及一种新型钴基复合材料的制备方法。
背景技术
近年来，由于化石燃料的迅速枯竭和温室气体排放导致的环境问题，全世界对可再生能源的需求日益迫切。碳材料，特别是碳纤维素、纳米纤维和纤维素纳米晶，近年来在新兴应用领域取得了重大进展，特别是在催化剂载体领域得到广泛应用，本发明以碳纤维布为原料作为催化剂的载体，能充分发挥碳纤维作为催化剂载体的作用，利于催化剂的分散，暴露更多的金属位点。
金属有机框架材料(Metal-Organic Frameworks，简称MOFs)是一种由金属离子与有机配体通过配位相连形成的新型多孔网状结构材料。它是利用有机配体与金属离子或金属团簇通过配位键或分子间相互作用力自组装而成的具有一维、二维或三维的无限网络结构的晶体材料。MOFs结构中的金属离子由有机配体联接且高度分散隔离，同时这些有机配体在热分解过程中的高度碳化可阻隔金属的团聚，从而有希望制得高分散的、粒径小而且均匀的金属或金属氧化物纳米粒子，这些纳米粒子可以作为活性催化中心。此外，MOFs热分解制备金属或金属氧化物还具有一个优点，即配体或者填充的有机物热解生成的多孔碳，会部分包裹住金属颗粒，从而提高催化剂的稳定性。
多孔碳材料具有化学稳定性高、吸附能力强、耐酸，耐碱，耐热性强以及较规整的空隙结构等优点，使其在催化剂载体、吸附剂和电化学储能等领域得到广泛应用。
MOFs材料衍生的金属催化剂与碳纤维布的结合，金属催化剂能够分散在碳纤维布表面，利于金属催化剂暴露更多的催化位点，更有利于流体的传质效果的提高，使其被迫与MOFs衍生的金属催化剂充分接触并发生反应。因此本发明合成的新型钴基复合材料Co@CFC有望成为性能优良的新型催化剂。
发明内容
本发明提供一种新型钴基复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)分别量取DMF、甲醇和去离子混合后，制得混合溶液A，其中DMF、甲醇和去离子水的体积比为(0.5～50)：1：1；
(2)分别取钴盐和2,5-二羟基对苯二甲酸，置于步骤(1)所得混合溶液A中，在超声频率为50～100kHz的条件，超声处理30～60分钟，得到混合溶液B；
(3)取干燥的碳纤维布与步骤(2)所得溶液B一同转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢水热釜中，然后进行恒温水热反应，在温度为100～200℃的条件下水热反应3～72小时，待反应釜冷却至室温，取出碳纤维布，常温干燥待用,去除反应釜中的上层溶液，离心，再用甲醇或乙醇多次洗涤，所得样品真空干燥得到样品Co-MOF-74；
(4)取步骤(3)中常温干燥待用的碳纤维布，置于瓷舟中，350～1000℃煅烧1～5小时，冷却至室温，制得新型钴基复合材料。
优选的本发明步骤(2)所述超声处理过程中的溶液温度不超过40℃。
优选的本发明步骤(2)所述钴盐和2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为(0.5～20):1，所述钴盐为四水合乙酸钴或氯化钴或六水合硝酸钴。
优选的本发明所述钴盐为四水合乙酸钴，四水合乙酸钴和2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为(1～10):1。
优选的本发明所述钴盐为氯化钴，氯化钴和2,5-二羟基对苯二甲酸摩尔比为(1～15):1。
优选的本发明所述钴盐为六水合硝酸钴，六水合硝酸钴和2,5-二羟基对苯二甲酸摩尔比为(0.5～20):1。
优选的本发明步骤(2)所述的超声频率为60kHz的条件下，超声处理30分钟。
优选的本发明步骤(4)是在通N2条件下进行，直到其温度冷却到室温。
本发明包括以下有益效果：
本发明以水热合成法为辅助，使得合成的Co-MOF-74负载在碳纤维布的表面，再经过碳化，制得以碳纤维布为催化剂载体负载Co-MOF-74衍生金属催化剂的一种新型钴基复合材料Co@CFC，并且优化了工艺反应条件，大幅简化了合成工艺和缩减了实验成本。
附图说明
图1：为实施例1制得的Co-MOF-74的XRD图谱；
图2：为实施例1制得的Co-MOF-74的SEM形貌图；
图3：为实施例1制得的Co@CFC的XRD图谱；
图4：为实施例1制得的Co@CFC的SEM形貌图。
具体实施方式
实施例1：新型钴基复合材料的制备方法
(1)分别量取DMF(45mL)、甲醇(3mL)和去离子水(3mL)混合后，制得混合溶液A，其中DMF、甲醇和去离子水的体积比为15:1:1；
(2)分别称取0.48g六水合硝酸钴和0.0989g 2,5-二羟基对苯二甲酸，一并置于步骤一所得混合溶液A中，在超声频率为60kHz的条件，超声处理30分钟，得到混合溶液B；其中六水合硝酸钴和2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为3.34:1；
(3)取一小块干燥的碳纤维布(carbon fiber cloth(CFC))与步骤二所得溶液B一同转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢水热釜中，然后进行恒温水热反应，在温度为100℃的条件下水热反应24小时，待反应釜冷却至室温，取出碳纤维布，常温干燥待用；用甲醇替换反应釜中的溶剂，每隔10小时置换一次，置换4次；所得样品在温度为100℃的条件下真空干燥8小时，制得样品Co-MOF-74；
(4)取出步骤(3)所得碳纤维布，置于瓷舟中，在通N2的条件下，600℃煅烧3小时，制得新型钴基复合材料Co@CFC。
实施例2：新型钴基复合材料的制备方法
(1)分别量取DMF(17mL)、甲醇(17mL)和去离子水(17mL)混合后，制得混合溶液A，其中DMF、甲醇和去离子水的体积比为1:1:1；
(2)分别称取0.29g六水合硝酸钴和0.0989g 2,5-二羟基对苯二甲酸，一并置于步骤一所得混合溶液A中，在超声频率为60kHz的条件，超声处理30分钟，得到混合溶液B；其中六水合硝酸钴和2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为2:1；
(3)取一小块干燥的碳纤维布(carbon fiber cloth(CFC))与步骤二所得溶液B一同转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢水热釜中，然后进行恒温水热反应，在温度为110℃的条件下水热反应24小时，待反应釜冷却至室温，取出碳纤维布，常温干燥待用；用乙醇替换反应釜中的溶剂，每隔12小时置换一次，置换4次；所得样品在温度为80℃的条件下真空干燥10小时，制得样品Co-MOF-74；
(4)取出步骤(3)所得碳纤维布，置于瓷舟中，在通N2的条件下，550℃煅烧4小时，制得新型钴基复合材料Co@CFC。
实施例3：新型钴基复合材料的制备方法
(1)分别量取DMF(45mL)、甲醇(5mL)和去离子水(5mL)混合后，制得混合溶液A，其中DMF、甲醇和去离子水的体积比为9:1:1；
(2)分别称取0.5811g六水合硝酸钴和0.0989g 2,5-二羟基对苯二甲酸，一并置于步骤一所得混合溶液A中，在超声频率为100kHz的条件，超声处理20分钟，得到混合溶液B；其中六水合硝酸钴和2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为4:1；
(3)取一小块干燥的碳纤维布(carbon fiber cloth(CFC))与步骤二所得溶液B一同转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢水热釜中，然后进行恒温水热反应，在温度为130℃的条件下水热反应12小时，待反应釜冷却至室温，取出碳纤维布，常温干燥待用；用甲醇替换反应釜中的溶剂，每隔12小时置换一次，置换5次；所得样品在温度为60℃的条件下真空干燥12小时，制得样品Co-MOF-74；
(4)取出步骤(3)所得碳纤维布，置于瓷舟中，在通N2的条件下，700℃煅烧3小时，制得新型钴基复合材料Co@CFC。
实施例4：新型钴基复合材料的制备方法
(1)分别量取DMF(45mL)、甲醇(9mL)和去离子水(9mL)混合后，制得混合溶液A，其中DMF、甲醇和去离子水的体积比为5:1:1；
(2)分别称取0.7264g六水合硝酸钴和0.0989g 2,5-二羟基对苯二甲酸，一并置于步骤一所得混合溶液A中，在超声频率为100kHz的条件，超声处理20分钟，得到混合溶液B；其中六水合硝酸钴和2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为5:1；
(3)取一小块干燥的碳纤维布(carbon fiber cloth(CFC))与步骤二所得溶液B一同转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢水热釜中，然后进行恒温水热反应，在温度为150℃的条件下水热反应12小时，待反应釜冷却至室温，取出碳纤维布，常温干燥待用；用甲醇替换反应釜中的溶剂，每隔12小时置换一次，置换5次；所得样品在温度为110℃的条件下真空干燥6小时，制得样品Co-MOF-74；
(4)取出步骤(3)所得碳纤维布，置于瓷舟中，在通N2的条件下，800℃煅烧2小时，制得新型钴基复合材料Co@CFC。
实施例5：新型钴基复合材料的制备方法
(1)分别量取DMF(50mL)、甲醇(2.5mL)和去离子水(2.5mL)混合后，制得混合溶(2)分别称取0.872g六水合硝酸钴和0.0989g 2,5-二羟基对苯二甲酸，一并置于步骤一所得混合溶液A中，在超声频率为80kHz的条件，超声处理30分钟，得到混合溶液B；其中六水合硝酸钴和2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为6:1；
(3)取一小块干燥的碳纤维布(carbon fiber cloth(CFC))与步骤二所得溶液B一同转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢水热釜中，然后进行恒温水热反应，在温度为160℃的条件下水热反应18小时，待反应釜冷却至室温，取出碳纤维布，常温干燥待用；用甲醇替换反应釜中的溶剂，每隔12小时置换一次，置换4次；所得样品在温度为100℃的条件下真空干燥10小时，制得样品Co-MOF-74；
(4)取出步骤(3)所得碳纤维布，置于瓷舟中，在通N2的条件下，400℃煅烧5小时，制得新型钴基复合材料Co@CFC。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过实施例1得到Co-MOF-74材料的XRD图谱如图1所示，证明所得的样品为纯相的Co-MOF-74晶体。
通过实施例1得到Co-MOF-74材料SEM相貌图如图2所示，从图中可以看出按照实验方法制备的Co-MOF-74为六棱柱状晶体。
通过实施例1得到新型钴基复合材料Co@CFC的XRD图谱，由图3明显发现Co-MOF-74经过碳化后，金属钴凸显出来，更利于催化活性的提高。
通实施例1得到新型钴基复合材料Co@CFC的SEM相貌图如图4所示，从图中可以看出按照实施方式一制备的Co@CFC材料，Co-MOF-74衍生的金属催化剂负载在碳纤维布的表面，分散性较好，表明新型钴基复合材料Co@CFC制备的成功。

Claims (8)

1.一种新型钴基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)分别量取DMF、甲醇和去离子混合后，制得混合溶液A，其中DMF、甲醇和去离子水的体积比为(0.5～50)：1：1；
(2)分别取钴盐和2,5-二羟基对苯二甲酸，置于步骤(1)所得混合溶液A中，在超声频率为50～100kHz的条件，超声处理30～60分钟，得到混合溶液B；
(3)取干燥的碳纤维布与步骤(2)所得溶液B一同转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢水热釜中，然后进行恒温水热反应，在温度为100～200℃的条件下水热反应3～72小时，待反应釜冷却至室温，取出碳纤维布，常温干燥待用,去除反应釜中的上层溶液，离心，再用甲醇或乙醇多次洗涤，所得样品真空干燥得到样品Co-MOF-74；
(4)取步骤(3)中常温干燥待用的碳纤维布，置于瓷舟中，350～1000℃煅烧1～5小时，冷却至室温，制得新型钴基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述超声处理过程中的溶液温度不超过40℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述钴盐和2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为(0.5～20):1，所述钴盐为四水合乙酸钴或氯化钴或六水合硝酸钴。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钴盐为四水合乙酸钴，四水合乙酸钴和2,5-二羟基对苯二甲酸的摩尔比为(1～10):1。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钴盐为氯化钴，氯化钴和2,5-二羟基对苯二甲酸摩尔比为(1～15):1。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钴盐为六水合硝酸钴，六水合硝酸钴和2,5-二羟基对苯二甲酸摩尔比为(0.5～20):1。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的超声频率为60kHz的条件下，超声处理30分钟。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)是在通N2条件下进行，直到其温度冷却到室温。
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