CN112264066B - 一种石墨炔原位生长金属有机骨架材料的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于催化剂技术领域,尤其涉及一种石墨炔原位生长金属有机骨架材料的制备方法及其应用,所述制备方法为将石墨炔在乙醇中分散均匀,加入过渡金属盐溶解,干燥,得吸附金属盐的石墨炔;将有机配体与吸附金属盐的石墨炔进行水热反应,得到原位生长于石墨炔上的金属有机骨架材料;通过热解反应得到石墨炔原位生长金属有机骨架材料。本发明利用原位生长技术将石墨炔与金属有机骨架材料结合起来,制得碱性条件下具有较高半波电势的非贵金属基氧还原电催化材料,解决了现有技术中贵金属催化剂成本高、储量低的问题。
Description
技术领域
本发明属于催化剂技术领域,尤其涉及一种石墨炔原位生长金属有机骨架材料的制备方法及其应用。
背景技术
随着能源需求的增长和环境污染的加剧,开发能源转换装置如金属-空气电池、质子交换膜燃料电池等是解决当前能源问题、实现绿色可持续发展的重要途径。电催化材料作为燃料电池的关键材料,必须满足以下特征:优良的催化性能、电化学稳定性和导电性。但是,由于其阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢问题的存在,目前只有储量少、价格高的Pt基贵金属催化剂被用作商用催化剂,这就导致资源稀缺、成本高以及耐久性差成为商用燃料电池的主要限制因素。因此,低成本、高活性、高稳定性非贵金属催化剂的开发成为国内外研究人员的探索方向。
非贵金属催化剂主要包括金属-氮-碳催化剂、过渡金属氧化物、硫属化合物、金属氧氮化合物和金属碳氮化合物等。由于过渡金属-氮-碳化合物在电催化氧还原反应中表现出可观的性能,而且具有抗甲醇、成本低、寿命长和环境友好等优点,因此,被认为是最具潜力代替Pt基催化剂的非贵金属燃料电池催化剂之一。现阶段,部分关于过渡金属-氮-碳催化剂的研究成果已初步应用于燃料电池,但耐用性仍然是需要解决的关键性问题,其主要原因在于大多数非铂族金属基催化剂的金属基催化中心会表现出一定程度的溶出,这就大大地影响了催化剂的稳定性。因此开发一种应用于电催化氧还原反应的高活性、高稳定性的石墨炔原位生长金属有机骨架材料,实现非贵金属电催化剂在商用燃料电池上的广泛应用具有广泛的经济效益和社会效益。
发明内容
为了得到低成本、高性能的电催化剂材料,突破单一催化剂的局限性,提高催化剂的稳定性,本发明提供了一种石墨炔原位生长金属有机骨架材料,该材料突破了单一催化剂的局限性,实现催化活性和稳定性的显著提升;
本发明的另一发明目的是提供了一种上述石墨炔原位生长金属有机骨架材料的制备方法,所述制备方法操作简单,解决了现有技术中贵金属催化剂成本高、储量低的问题;
本发明的又一发明目的是提供了上述石墨炔原位生长金属有机骨架材料在电催化还原反应中的应用,具有优异的电催化氧还原反应性能。
为解决上述技术问题,本发明采用以下的技术方案:
一种石墨炔原位生长金属有机骨架材料的制备方法,采用以下步骤:
(1)将石墨炔在乙醇中分散均匀,加入过渡金属盐溶解,干燥,得吸附金属盐的石墨炔;
(2)将有机配体与步骤(1)的吸附金属盐的石墨炔进行水热反应,得到原位生长于石墨炔上的金属有机骨架材料;
(3)通过热解反应得到石墨炔原位生长金属有机骨架材料。
优选地,步骤(1)所述的过渡金属盐与石墨炔的质量比为0.5-3:0.5-2.5;步骤(2)所述的有机配体与石墨炔的质量比为2-4:1。
优选地,步骤(1)所述的过渡金属盐为Fe(NO3)3·9H2O、Fe(acac)2、Co(NO3)2·6H2O或Ni(OAc)2·6H2O;步骤(2)所述的有机配体为2-氨基对苯二甲酸。
优选地,步骤(1)中加入过渡金属盐溶解的采用超声处理,其中所述超声的功率为220-280W,超声时间为10-20min。
优选地,步骤(2)所述的水热反应的条件为:在二甲基甲酰胺溶剂条件下,115-125℃的反应釜中反应70-75 h,降至室温。
优选地,步骤(3)所述的热解的反应条件为:在氮气气氛下、以5℃/min的升温速率升温至850-950℃保持2.5-3.5h,降温,并用1.5-2.5M HCl溶液在85-95℃下进行酸洗22-26h,最终清洗得到石墨炔原位生长金属有机骨架材料。
一种上述制备方法制备得到的石墨炔原位生长金属有机骨架材料。
一种上述石墨炔原位生长金属有机骨架材料的应用,所述材料应用于电催化氧还原反应领域。
有益效果
(1)本发明的制备方法是集石墨炔与金属有机骨架材料的高活性位点暴露、sp杂化碳对金属离子的锚定、杂原子掺杂的缺陷、过渡金属-氮-碳催化中心等的协同作用于一体,突破了单一催化剂的局限性,实现催化活性和稳定性的显著提升。
(2)本发明利用原位生长技术将石墨炔与金属有机骨架材料结合起来,制得碱性条件下具有较高半波电势的非贵金属基氧还原电催化材料,解决了现有技术中贵金属催化剂成本高、储量低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为石墨炔的SEM;
图2为石墨炔的拉曼光谱;
图3为实施例1-5和对比例所制备材料的电催化氧还原反应的线性极化曲线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例,这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明,并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例,然而应当理解,本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。
实施例1
(1)将质量比为0.5:0.5的石墨炔和Fe(NO3)3·9H2O在乙醇中超声至分散均匀,通过旋转蒸发干燥技术得到吸附金属盐的石墨炔;超声的功率为220W,超声时间为20min。
(2)将与石墨炔质量比为3:1的NH2-H2BDC与步骤(1)的产物在二甲基甲酰胺溶剂条件下,120 ℃的反应釜中反应72 h,降温,洗涤,得到原位生长于石墨炔上的金属有机骨架材料;
(3)在氮气气氛下、以5℃/min的升温速率升温至900℃保持3h,降温,并用2M HCl溶液在90℃下进行酸洗24h,得到石墨炔原位生长金属有机骨架材料。
实施例2
(1)将质量比为0.5:1.5的石墨炔和Fe(NO3)3·9H2O在乙醇中超声至分散均匀,通过旋转蒸发干燥技术得到吸附金属盐的石墨炔;超声的功率为280W,超声时间为10min。
(2)将与石墨炔质量比为2:1的NH2-H2BDC与步骤(1)的产物在二甲基甲酰胺溶剂条件下,125℃的反应釜中反应70 h,降温,洗涤,得到原位生长于石墨炔上的金属有机骨架材料;
(3)在氮气气氛下、以5℃/min的升温速率升温至950℃保持2.5 h,降温,并用2.5M HCl溶液在95 ℃下进行酸洗22 h,得到石墨炔原位生长金属有机骨架材料。
实施例3
(1)将质量比为3:0.5的石墨炔和Fe(NO3)2·9H2O在乙醇中超声至分散均匀,通过旋转蒸发干燥技术得到吸附金属盐的石墨炔;超声的功率为260W,超声时间为15min。
(2)将与石墨炔质量比为4:1的NH2-H2BDC与步骤(1)的产物在二甲基甲酰胺溶剂条件下,115℃的反应釜中反应75 h,降温,洗涤,得到原位生长于石墨炔上的金属有机骨架材料;
(3)在氮气气氛下、以5℃/min的升温速率升温至850℃保持3.5 h,降温,并用2MHCl溶液在85 ℃下进行酸洗26 h,得到石墨炔原位生长金属有机骨架材料。
实施例4
(1)将质量比为1:1的石墨炔和Co(NO3)2·6H2O在乙醇中超声至分散均匀,通过旋转蒸发干燥技术得到吸附金属盐的石墨炔;超声的功率为260W,超声时间为15min。
(2)将与石墨炔质量比为3:1的NH2-H2BDC与步骤(1)的产物在二甲基甲酰胺溶剂条件下,120 ℃的反应釜中反应72 h,降温,洗涤,得到原位生长于石墨炔上的金属有机骨架材料;
(3)在氮气气氛下、以5℃/min的升温速率升温至900℃保持3h,降温,并用2M HCl溶液在90℃下进行酸洗24h,得到石墨炔原位生长金属有机骨架材料。
实施例5
(1)将质量比为1:1的石墨炔和Ni(OAc)2·6H2O在乙醇中超声至分散均匀,通过旋转蒸发干燥技术得到吸附金属盐的石墨炔;超声的功率为260W,超声时间为15min;
(2)将与石墨炔质量比为3:1的NH2-H2BDC与步骤(1)的产物在二甲基甲酰胺溶剂条件下,120 ℃的反应釜中反应72 h,降温,洗涤,得到原位生长于石墨炔上的金属有机骨架材料;
(3)在氮气气氛下、以5℃/min的升温速率升温至900℃保持3h,降温,并用2M HCl溶液在90℃下进行酸洗24h,得到石墨炔原位生长金属有机骨架材料。
对比例
(1)将质量比为1:2.5的石墨炔和MIL-100(Fe)金属有机骨架材料在二甲基甲酰胺溶剂条件下,120 ℃的反应釜中反应72 h,降温,洗涤;
(2)在氮气气氛下、以5℃/min的升温速率升温至900℃保持3h,降温,并用2M HCl溶液在90℃下进行酸洗24h,得到石墨炔与Fe-MOF复合材料。
效果实验
通过辰华CHI760E电化学工作站对实施例1-5和对比例制备的材料进行电催化氧还原反应性能测试。本实验采用三电极体系进行测试,三个电极分别为铂丝作为对电极,饱和Ag/AgCl电极作为参比电极和旋转环盘电极作为工作电极。电解液为0.1mol/L KOH氧饱和溶液。测试前需要向电解液中通入纯氧气30min,并在实验过程中保持氧气的通入。结果表明,实施例1-5和对比例所制备的电催化材料相比,表现出了更高的半波电势,具有优异的电催化氧还原反应性能。综上,本发明将石墨炔原位生长于金属有机骨架材料上,制得了具有优异性能的非贵金属氧还原电催化材料。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,上面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种石墨炔原位生长金属有机骨架材料的制备方法,其特征在于,采用以下步骤:
(1)将石墨炔在乙醇中分散均匀,加入过渡金属盐溶解,干燥,得吸附金属盐的石墨炔;
(2)将有机配体与步骤(1)的吸附金属盐的石墨炔进行水热反应,得到原位生长于石墨炔上的金属有机骨架材料;
(3)通过热解反应得到石墨炔原位生长金属有机骨架材料;
其中,步骤(1)所述的过渡金属盐与石墨炔的质量比为0.5-3:0.5-2.5;步骤(2)所述的有机配体与石墨炔的质量比为2-4:1;
步骤(2)所述的水热反应的条件为:在二甲基甲酰胺溶剂条件下,115-125℃的反应釜中反应70-75h,降至室温;
步骤(3)所述的热解的反应条件为:在氮气气氛下、以5℃/min的升温速率升温至850-950℃保持2.5-3.5h,降温,并用1.5-2.5M HCl溶液在85-95℃下进行酸洗22-26h,最终清洗得到石墨炔原位生长金属有机骨架材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述的过渡金属盐为Fe(NO3)3·9H2O、Fe(acac)2、Co(NO3)2·6H2O或Ni(OAc)2·6H2O;步骤(2)所述的有机配体为2-氨基对苯二甲酸。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中加入过渡金属盐溶解的采用超声处理,其中所述超声的功率为220-280W,超声时间为10-20min。
4.一种权利要求1-3任一项所述的制备方法制备得到的石墨炔原位生长金属有机骨架材料。
5.一种权利要求4所述的石墨炔原位生长金属有机骨架材料的应用,其特征在于,所述材料应用于电催化氧还原反应领域。
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