CN110586193A - 有机框架支撑CeO2/CuO电催化材料制备方法及应用 - Google Patents

有机框架支撑CeO2/CuO电催化材料制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于电催化全解水领域,具体涉及一种金属有机框架支撑CeO2/CuO电催化材料制备方法及其应用。本发明采用配位法制备CeO2/CuO电催化剂,所得到的电催化剂粉体纯度高,催化性能较好,重复性高,易于大规模合成。CeO2/CuO复合电催化剂材料应用于析氢析氧反应时表现出优异的催化性能,分别以258mV和463mV的过电位实现了10mA·cm‑2的电流密度,是一种潜在的电催化全解水催化剂。

Description

有机框架支撑CeO2/CuO电催化材料制备方法及应用
技术领域
本发明属于电催化全解水领域,具体涉及一种有机框架支撑 CeO2/CuO电催化材料制备方法及其应用。
背景技术
金属-配体型化合物的设计和制备越来越引起人们的关注,配体 主要承担吸收能量和传递能量的作用。金属-配体型化合物在气体物 理吸附,离子交换和光催化剂等方面有很重要的应用。目前,配位化 学不仅是无机化学的主流学科,而且与分析化学、材料化学、高分子 化学、有机化学、生物化学、物理化学等其他学科间的联系也越来越 紧密,它已在学科间的相互渗透于融合中成为众多学科的交叉点,并 且伴随着其自身的新颖性和独特性。因此,现代科学有越来越多的科 学家认为,配位化学正在无机化学与其它化学二级学科的界限,成为 新的独立的二级学科。
研究结果表明:过渡金属-稀土异核金属配合物在发光材料方面 呈现出很多全新的的性质。南开大学的程鹏课题组,用2,6-吡啶二 羧酸(PDA)与稀土合成了Ln-Mn(Ln=Eu、Tb)这2个具有纳米管道的 配合物,并且发现引入过渡金属离子后对它们的突光强度影响很大。 这种将分子水平的化学信息转变为宏观信号(颜色或突光强度改变) 的现象,具有阳离子焚光探针的作用。在分子探针的应用上具有重要 的意义。
吡啶羧酸配位聚合物具有以下非常明显的优势:(1)金属离子可 以提供特定几何配位构型,与有机配体中的配位原子有从弱到强地结 合力,从而形成由不稳定到稳定的配位聚合物;并且,金属离子的电 学、光学、磁化学和氧化一还原等特性都可能体现在设计合成的配位 聚合物中。(2)有机配体的多样性、可修饰性和与不同金属离子间的 不同配位方式,为设计合成形状可控、尺寸可控和性质可控的配位聚 合物提供了可能性。同时,金属离子独有的光、电、磁等性质,在配 位场中能够得到微妙地调控,并且通过金属离子与有机配体间不同的 配位方式,可以产生单组分所不具有的独特性质。此外,由于金属有 机配位聚合物是由金属离子和有机配体通过自组装过程而形成,因此 结合了有机配体和金属离子两者的特点,不仅具有迷人的拓扑结构, 如:一维直链状、之字链状,二维格子状、网状、层状、蜂窝状、砖 墙状,三维金刚石状等,而且还可能表现出其他独特的性质,在非线 性光学、磁学超导、吸附分离、催化等诸方面都具有良好的潜在应用 前景。但是,合理地选择有机配体和金属离子,并控制反应的条件, 定向组装预期结构仍然具有挑战性(李亚娟.基于不对称配体3,4- 吡啶二羧酸的配位聚合物的合成、结构及性能研究[D].河北师范大 学,2008)。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种金属有机框架支撑 CeO2/CuO全解水电催化材料制备方法及其应用。
具体技术方案如下:
一种有机框架支撑CeO2/CuO电催化材料制备方法,具体包括以 下步骤:
步骤1、取铜的可溶性盐溶解于一定量的去离子水中,去离子水 的用量为铜摩尔量的5-10倍,磁力搅拌,混合均匀后,制备溶液A;
步骤2、取铈的可溶性盐溶解于一定量的去离子水中,去离子水 的用量为钴盐摩尔量的5-10倍,加入三乙胺溶液,磁力搅拌,混合 均匀后,制备溶液B;
步骤3、称取一定量的分散剂加入到醇溶液中,待其完全溶解后 将其与溶液B混合均匀,超声处理10-20min,加入吡啶酸,混合均 匀后,超声处理10-20min,制备溶液C;
步骤4、以1cm×1cm的ITO作为工作电极,Pt电极作为对电 极,饱和甘汞电极作为参比电极,通过电沉积法在A溶液制备原始 CuO纳米片阵列;电沉积一段时间后,用去离子水和乙醇小心地漂洗 ITO电极3-5次;然后将样品在400-500℃煅烧1-2小时,使其转化 成的纳米颗粒;
步骤5、将长有D纳米颗粒的ITO作为工作电极插入到C溶液中, Pt电极作为对电极,电沉积一段时间后,用去离子水和乙醇小心地 漂洗几次,吹干形成嵌入银线的CeO2/CuO全解水电催化电极。
步骤(1)和(2)中所述铜的可溶性盐和铈的可溶性盐为硝酸盐、 醋酸盐、氯化盐、磷酸盐中的一种。
步骤(1)和步骤(2)中所述铜和铈元素的摩尔比为1:1。
所述磁力搅拌器的搅拌转速为500r/min-800r/min。
步骤(3)中所述的分散剂可选十二胺、三乙胺或乙二胺中的一 种,其用量为铜盐摩尔量的2-3倍,醇溶液的用量为铜盐摩尔量的 5-10倍;步骤(3)中所述的醇可为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或其他 小分子量醇类中的一种。
步骤(3)中所述吡啶酸可选择3,5-吡啶二羧酸、2,6-吡啶二羧 酸或3,4-吡啶二羧酸,其用量为铜盐摩尔量的5-8倍。
步骤(4)和步骤(5)中电沉积的外加电场为0V~+10V,电沉积 时间为10-90s。
一种金属有机框架支撑CeO2/CuO全解水电催化材料的应用,所 述金属有机框架支撑CeO2/CuO全解水电催化材料可应用于电极材料 或催化材料。
与现有技术相比,本发明具有如下有益技术效果:
本发明提供的一种金属有机框架支撑CeO2/CuO全解水电催化材 料的制备方法,通过吡啶酸的选择及电沉积时间的控制,可有效控制 化学反应所析出的纳米材料的形状和结构,实现有机框架自支撑。吡 啶多酸作为配体,因为其具有多个配位点,可以形成丰富的配位结构。 我们在制备过程中可以选择3,4-pdc acid、2,6-pdc acid、3,5-pdc acid作为配体,所制备的配合物具有三维空洞MOFs结构。使用该配 合物作为前躯体,相比于现有制备工艺中常用的共沉淀法制备的不定 性块状颗粒,该方法制备的产物为较均匀的纳米颗粒结构。本发明提 供的电沉积的制备方法,通过水醇体系的改变、分散剂用量、沉积时间的控制,可有效控制化学反应所析出的电极材料的形状和结构。
本发明所得CeO2/CuO电催化剂粉体纯度好、重复性高、全解水 性能良好。并且还提供了一种CeO2/CuO电催化剂制备方法,制备过 程简单易操作,适合大规模生产。
附图说明
图1为实施例1制备CeO2/CuO复合电催化剂的SEM图谱;
图2为实施例2制备CeO2/CuO复合电催化剂的SEM图谱;
图3为实施例3制备CeO2/CuO复合电催化剂的HER扫描图;
图4为实施例3制备CeO2/CuO复合电催化剂的OER线性扫描图;
图5为对比例1制备CeO2/CuO复合电催化剂的SEM图。
图6为CeO2/CuO复合电催化材料的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明,但本发明的 保护范围不受具体实施例和附图所限。
实施例1.
一种金属有机框架支撑CeO2/CuO复合全解水电催化材料的制备 方法,具体步骤如下:
步骤1、取1mmol醋酸铜溶解于10mmol的去离子水中,700r/min 磁力搅拌20min,制备溶液A。
步骤2、取1mmol醋酸铈溶解于10mmol去离子水中,700r/min 磁力搅拌20min,制备溶液B。
步骤3、称取2mmol三乙胺加入到5mmol乙醇溶液中,待其完全 溶解后将其与溶液B混合均匀,超声处理10min,加入5mmol的3,4- 吡啶二羧酸,超声处理10min,制备溶液C。
步骤4、以ITO(导电玻璃)(1cm×1cm)作为工作电极,Pt电 极作为对电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,通过电沉积法在 A溶液中制备原始CuO纳米片阵列。外加5V的电压,电沉积30s后, 用去离子水和乙醇小心地漂洗ITO电极3次。然后将样品在400℃煅 烧1小时,使其转化成D(CuO)的纳米颗粒。
步骤5、将长有D纳米颗的ITO作为工作电极插入到C溶液中, Pt电极作为对电极,外加5V的电压,电沉积30s后,用去离子水和 乙醇小心地漂洗3次,吹干形成嵌入银线的CeO2/CuO全解水电催化 电极。
图1为CeO2/CuO复合电催化材料的电子显微镜图像(SEM图), 可以看出催化剂的尺寸较为均一,表面光滑。
实施例2.
一种金属有机框架支撑CeO2/CuO复合全解水电催化材料的制备 方法,具体步骤如下:
步骤1、取1mmo硝酸铜溶解于5mmol的去离子水中,800r/min 磁力搅拌20min,制备溶液A。
步骤2、取1mmol硝酸铈溶解于5mmol去离子水中,800r/min磁 力搅拌20min,制备溶液B。
步骤3、称取3mmol乙二胺加入到10mmol甲醇溶液中,待其完 全溶解后将其与溶液B混合均匀,超声处理10min,加入6mmol的2,6- 吡啶二羧酸酸,超声处理10min,制备溶液C。
步骤4、以ITO(导电玻璃)(1cm×1cm)作为工作电极,Pt电 极作为对电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,通过电沉积法在 A溶液中制备原始CuO纳米片阵列。外加10V的电压,电沉积20s后, 用去离子水和乙醇小心地漂洗ITO电极3次。然后将样品在400℃煅 烧1小时,使其转化成D(CuO)的纳米颗粒。
步骤5、将长有D纳米颗的ITO作为工作电极插入到C溶液中, Pt电极作为对电极,外加10V的电压,电沉积20s后,用去离子水 和乙醇小心地漂洗3次,吹干形成嵌入银线的CeO2/CuO全解水电催 化电极。
图2为本实施例CeO2/CuO复合电催化材料的SEM图。从图2可 以看出,颗粒大小均匀,分散性好,粒度为30-80nm。
实施例3.
一种金属有机框架支撑CeO2/CuO复合全解水电催化材料的制备 方法,具体步骤如下:
步骤1、取1mmo氯化铜溶解于8mmol的去离子水中,500r/min 磁力搅拌20min,制备溶液A。
步骤2、取1mmol氯化铈溶解于8mmol去离子水中,500r/min磁 力搅拌20min,制备溶液B。
步骤3、称取2.5mmol十二胺加入到10mmol丙醇溶液中,待其 完全溶解后将其与溶液B混合均匀,超声处理10min,加入8mmol的 3,5-吡啶二羧酸,超声处理10min,制备溶液C。
步骤4、以ITO(导电玻璃)(1cm×1cm)作为工作电极,Pt电 极作为对电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,通过电沉积法在 A溶液中制备原始CuO纳米片阵列。外加3V的电压,电沉积90s后, 用去离子水和乙醇小心地漂洗ITO电极3次。然后将样品在500℃煅 烧2小时,使其转化成D(CuO)的纳米颗粒。
步骤5、将长有D纳米颗的ITO作为工作电极插入到C溶液中, Pt电极作为对电极,外加3V的电压,电沉积90s后,用去离子水和 乙醇小心地漂洗3次,吹干形成嵌入银线的CeO2/CuO全解水电催化 电极。
采用三电极体系对CeO2/CuO复合电催化材料的电催化析氢析氧 性能进行测试,以Pt片为对电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极, 工作电极为表面滴涂有CeO2/CuO复合电催化材料的ITO电极;测试 仪器为PARSTAT 2273电化学工作站;测试溶液为1mol/L的KOH。
图3为实施例3CeO2/CuO复合电催化剂的HER扫描图,图4为 实施例3CeO2/CuO复合电催化剂的OER线性扫描图。CeO2/CuO复合 电催化材料性能测试结果如图3、图4所示,图3为HER曲线,曲线 向下弯曲的起始点代表还原产氢的起始电位,越小越好。弯曲的斜率 代表还原速度与过电位的关系,越大越好。
图4为OER曲线,曲线向上弯曲的起始点代表氧化产氢的起始 电位,越小越好。弯曲的斜率代表还原速度与过电位的关系,越大越 好。
对比例1.(未加吡啶羧酸)
一种金属有机框架支撑CeO2/CuO复合全解水电催化材料的制备 方法,具体步骤如下:
步骤1、取1mmol醋酸铜溶解于10mmol的去离子水中,700r/min 磁力搅拌20min,制备溶液A。
步骤2、取1mmol醋酸铈溶解于10mmol去离子水中,700r/min 磁力搅拌20min,制备溶液B。
步骤3、称取2mmol三乙胺加入到5mmol乙醇溶液中,待其完全 溶解后将其与溶液B混合均匀,超声处理10min,制备溶液C。
步骤4、以ITO(导电玻璃)(1cm×1cm)作为工作电极,Pt电 极作为对电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,通过电沉积法在 A溶液中制备原始CuO纳米片阵列。外加5V的电压,电沉积30s后, 用去离子水和乙醇小心地漂洗ITO电极3次。然后将样品在400℃煅 烧1小时,使其转化成D(CuO)的纳米颗粒。
步骤5、将长有D纳米颗的ITO作为工作电极插入到C溶液中, Pt电极作为对电极,外加5V的电压,电沉积30s后,用去离子水和 乙醇小心地漂洗3次,吹干形成嵌入银线的CeO2/CuO全解水电催化 电极。
图5为CeO2/CuO复合电催化材料的SEM图,可以看出未加吡啶 羧酸制备的催化材料粉体尺度较大,分散性不好。
对比例2(未加吡啶羧酸、未加入三乙胺)
一种金属有机框架支撑CeO2/CuO复合全解水电催化材料的制备 方法,具体步骤如下:
步骤1、取1mmol醋酸铜溶解于10mmol的去离子水中,700r/min 磁力搅拌20min,制备溶液A。
步骤2、取1mmol醋酸铈溶解于10mmol去离子水中,700r/min 磁力搅拌20min,制备溶液B。
步骤3、以ITO(导电玻璃)(1cm×1cm)作为工作电极,Pt电 极作为对电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,通过电沉积法在 A溶液、B溶液中制备原始CuO纳米片阵列。外加5V的电压,电沉积 30s后,用去离子水和乙醇小心地漂洗ITO电极3次。然后将样品在 400℃煅烧1小时,吹干形成嵌入银线的CeO2/CuO全解水电催化电极。
图6为CeO2/CuO复合电催化材料的SEM图。从图6可以看出, 制备的粉体呈现块状,分散性不好,比表面积小,尺度为10um-50um。

Claims (8)

1.一种有机框架支撑CeO2/CuO电催化材料制备方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
步骤1、取铜的可溶性盐溶解于一定量的去离子水中,去离子水的用量为铜摩尔量的5-10倍,磁力搅拌,混合均匀后,制备溶液A;
步骤2、取铈的可溶性盐溶解于一定量的去离子水中,去离子水的用量为钴盐摩尔量的5-10倍,加入三乙胺溶液,磁力搅拌,混合均匀后,制备溶液B;
步骤3、称取一定量的分散剂加入到醇溶液中,待其完全溶解后将其与溶液B混合均匀,超声处理10-20min,加入吡啶酸,混合均匀后,超声处理10-20min,制备溶液C;
步骤4、以1cm×1cm的ITO作为工作电极,Pt电极作为对电极,饱和甘汞电极作为参比电极,通过电沉积法在A溶液制备原始CuO纳米片阵列;电沉积一段时间后,用去离子水和乙醇小心地漂洗ITO电极3-5次;然后将样品在400-500℃煅烧1-2小时,使其转化成的纳米颗粒;
步骤5、将长有D纳米颗粒的ITO作为工作电极插入到C溶液中,Pt电极作为对电极,电沉积一段时间后,用去离子水和乙醇小心地漂洗几次,吹干形成嵌入银线的CeO2/CuO全解水电催化电极。
2.根据权利要求1所述的金属有机框架支撑CeO2/CuO全解水电催化材料制备方法,其特征在于:步骤(1)和(2)中所述铜的可溶性盐和铈的可溶性盐为硝酸盐、醋酸盐、氯化盐、磷酸盐中的一种。
3.根据权利要求1所述的金属有机框架支撑CeO2/CuO全解水电催化材料制备方法,其特征在于:步骤(1)和步骤(2)中所述铜和铈元素的摩尔比为1:1。
4.根据权利要求1所述的金属有机框架支撑CeO2/CuO全解水电催化材料制备方法,其特征在于:所述磁力搅拌器的搅拌转速为500r/min-800r/min。
5.根据权利要求1所述的金属有机框架支撑CeO2/CuO全解水电催化材料制备方法,其特征在于:步骤(3)中所述的分散剂可选十二胺、三乙胺或乙二胺中的一种,其用量为铜盐摩尔量的2-3倍,醇溶液的用量为铜盐摩尔量的5-10倍;步骤(3)中所述的醇可为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或其他小分子量醇类中的一种。
6.根据权利要求1所述的金属有机框架支撑CeO2/CuO全解水电催化材料制备方法,其特征在于:步骤(3)中所述吡啶酸可选择3,5-吡啶二羧酸、2,6-吡啶二羧酸或3,4-吡啶二羧酸,其用量为铜盐摩尔量的5-8倍。
7.根据权利要求1所述的金属有机框架支撑CeO2/CuO全解水电催化材料制备方法,其特征在于:步骤(4)和步骤(5)中电沉积的外加电场为0V~+10V,电沉积时间为10-90s。
8.一种金属有机框架支撑CeO2/CuO全解水电催化材料的应用,其特征在于:所述金属有机框架支撑CeO2/CuO全解水电催化材料可应用于电极材料或催化材料。
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