CN112281185A - 多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法及应用 - Google Patents

多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于催化剂制备领域，公开了一种多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，经过先制备多级孔共价有机框架化合物，再与十二烷基硫酸钠、金属盐溶于超纯水水中等步骤即得催化剂；另一种多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，经过先制备多级孔共价有机框架化合物，再与金属盐溶于超纯水水中等步骤即得催化剂。本发明的制备方法简单，成本低廉。本发明的制备方法适用于制备多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂，所制的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂适用于工业电催化析氢反应中制备氢。

Description

多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方 法及应用
技术领域
本发明属于催化剂制备领域，涉及一种析氢催化剂的制备方法，具体地说是一种多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法与应用。
背景技术
新能源产业的快速发展，电催化能源转化和存储技术在取代化石能源、减少碳排放、获得高附加值化学品方面发挥了重要的作用。电催化剂，是用于在电解器中催化水分解为氢气与氧气的反应的一种特殊催化剂，这一反应生成的氢气可以存储，并随时可以再次转化为电能，整个过程中唯一的副产品就是电解水，还可以被再利用，堪称最绿色的能源系统。优异的电催化材料是实现该技术的关键因素，而金属铂是制氢过程中催化效果最好的催化剂，这是由于金属铂具有最佳的H+吸附和解吸能力，但是由于金属铂在自然界中资源匮乏且价格昂贵，导致金属铂作为催化剂并未在工业生产中得到很好的发展。因此，设计和发展新型电催化剂并提高其电催化性能是目前电催化能源转化的当务之急。
发明内容
本发明的目的，是要提供多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，以制备能够替代贵金属铂而应用于工业生产的电催化析氢的催化剂，从而降低电催化析氢反应的成本。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方法如下：
一种多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，按照以下步骤进行：
(a1)多级孔共价有机框架化合物的制备
将无水氯化锌和2,6-吡啶二甲腈加入容器中，对容器进行抽气，然后将容器于脱气状态下密封；将密封的容器于室温匀速升温后反应，再冷却至室温后，打开容器，得到反应物A；将反应物A研磨成粉末后，去除氯化锌，得到黑色粉末B；将黑色粉末B淋洗后，干燥，即得多级孔共价有机框架化合物；
(a2)多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备
将多级孔共价有机框架化合物、十二烷基硫酸钠、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、CuCl2·2H2O、醋酸钯和氯铂酸溶于超纯水水中，形成均匀溶液C，再滴入氢氧化钠水溶液，形成均匀溶液D，之后再加入磷酸二氢钠形成均匀溶液E；将均匀溶液E转移到聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，反应即得到多级孔共价有机框架化合物与金属团簇复合材料，再去除无用离子，真空干燥，即得多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂。
作为限定：步骤(a1)中容器抽气采用真空泵抽气，且保持5-10min；密封容器的升温方式为置于管式炉中升温，从室温匀速升温加热至300-500℃，且保持30-40h；去除氯化锌的方式为采用去离子水洗至少三次来移除氯化锌，再用稀酸在室温条件下搅拌10-20h进一步去除氯化锌之后，过滤；淋洗方式为先用去离子水淋洗至少三次，再用有机溶剂淋洗至少三次；干燥方式为将黑色粉末B放入真空烘箱，100-150℃下干燥20-30h。
作为进一步限定：步骤(a1)稀酸为0.1mol/L的盐酸或者硫酸；有机溶剂为丙酮、四氢呋喃、二氯甲烷中的至少一种。
作为另一种限定：步骤(a2)中形成均匀溶液C所需搅拌时间为2-5h；形成均匀溶液D所需搅拌时间为30min-60min；形成均匀溶液E所需搅拌时间为30min-60 min；均匀溶液E在聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中反应温度为80-120℃，反应时间为12-48h；去除无用离子方式为将所得多级孔共价有机框架化合物与金属团簇复合材料用超纯水和醇分别清洗至少5次；真空干燥方式为在30-80℃下真空干燥24h。
作为进一步限定：步骤(a2)中多级孔共价有机框架化合物、十二烷基硫酸钠、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、CuCl2·2H2O、醋酸钯和氯铂酸的摩尔比为10-12:1:1:1:1:1，十二烷基硫酸钠的浓度为15-20mmol/L，氢氧化钠水溶液浓度为1mmol/L-2mmol/L，磷酸二氢钠溶液浓度为0.1mmol/L-0.5mmol/L；去除无用离子所用的醇为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种。
一种多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，按照以下步骤进行：
(b1)多级孔共价有机框架化合物的制备
将无水氯化锌和2,6-吡啶二甲腈加入容器中，对容器进行抽气，然后将容器于脱气状态下密封；将密封的容器于室温匀速升温后反应，再冷却至室温后，打开容器，得到反应物A；将反应物A研磨成粉末后，去除氯化锌，得到黑色粉末B；将黑色粉末B淋洗后，干燥，即得多级孔共价有机框架化合物；
(b2)多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备
将多级孔共价有机框架化合物、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、CuCl2·2H2O、醋酸钯和氯铂酸溶于超纯水水中，反应即得到多级孔共价有机框架化合物与金属单原子复合材料，再去除无用离子，真空干燥，即得多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂。
作为限定：步骤(b1)中对容器抽气采用真空泵抽气，且保持5-10min；密封容器的升温方式为置于管式炉中升温，从室温匀速升温加热至300-500℃，且保持 30-40h；去除氯化锌的方式为采用去离子水洗至少三次来移除氯化锌，再用稀酸在室温条件下搅拌10-20h进一步去除氯化锌之后，过滤；淋洗方式为先用去离子水淋洗至少三次，再用有机溶剂淋洗至少三次；干燥方式为将黑色粉末B放入真空烘箱， 100-150℃下干燥20-30h。
作为进一步限定：步骤(b1)稀酸为0.1mol/L的盐酸或者硫酸；有机溶剂为丙酮、四氢呋喃、二氯甲烷中的一种或者两种。
作为另一种限定：步骤(b2)中多级孔共价有机框架化合物、NiCl2·6H2O、 CoCl2·6H2O、CuCl2·2H2O、醋酸钯和氯铂酸的摩尔比为0.5-1：1-1.5：1-1.5：1-1.5： 1-1.5：1-1.5；溶于超纯水水中所需温度为40-80℃，且需搅拌2-5h；去除无用离子方式为将所得多级孔共价有机框架化合物与金属单原子复合材料用超纯水和醇分别清洗至少5次，所用的醇为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种；真空干燥方式为在30-80℃下真空干燥24h。
本发明还提供了上述的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法制备的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的一种应用，多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂用于工业电催化析氢反应中制备氢。
本发明由于采用了上述方案，与现有技术相比，所取得的有益效果是：
(1)本发明提供的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法通过在多级孔共价有机框架化合物的表面设计配位点，配位基团作为“爪子”捕捉和锚定单核金属前驱体，再利用金属单原子与配位点的强相互作用形成稳定的单原子，防止其迁移团聚，从而形成多级孔共价有机框架化合物与金属单原子复合的催化剂，制备方法简单，成本低廉；制备得到的多级孔共价有机框架化合物与金属单原子复合析氢催化剂，经过金属离子修饰，制备得到的多级孔共价有机框架化合物与金属单原子复合析氢催化剂展现了较高的催化效率，DCP-CTF-Pt2+过电位与20％商业铂碳相近，但是其贵金属用量要远远低于20％，在保证催化效率的同时，减少了电解水析氢的成本；
(2)本发明提供的多级孔共价有机框架化合物与金属团簇复合析氢催化剂的成功制备拓宽了复合电催化剂的道路，多级孔共价有机框架化合物提供的较大比表面积和金属团簇的活性位点，使得其经过Pd和Pt修饰之后过电位明显下降，有较好的催化析氢效果。
本发明的制备方法适用于制备多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂，所制的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂适用于工业电催化析氢反应中制备氢。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例7的结构示意图；
图3为本发明实施例1的电化学析氢性能的线性扫描曲线；
图4为本发明实施例1的电化学析氢性能的塔菲尔曲线；
图5为本发明实施例7的电化学析氢性能的线性扫描曲线；
图6为本发明实施例7的电化学析氢性能的塔菲尔曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和等效变化，都在本发明权利要求保护的范围之内。
实施例1-6多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法
实施例1-6分别为一种多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，制备多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的工艺参数参见表1，按照以下步骤进行：
(a1)多级孔共价有机框架化合物的制备
将无水氯化锌和2,6-吡啶二甲腈加入安瓿瓶中，对安瓿瓶进行真空泵抽气，保持5-10min；然后将安瓿瓶于脱气状态下使用安瓿瓶封口机封管；将密封的安瓿瓶置于管式炉中于室温匀速升温加热至300-500℃，且保持30-40h，再冷却至室温后，打开容器，得到反应物A；将反应物A研磨成粉末后，采用去离子水洗至少三次来移除氯化锌，再用0.1mol/L的稀酸在室温条件下搅拌10-20h进一步去除氯化锌之后，过滤即得黑色粉末B；将黑色粉末B用去离子水淋洗至少三次，再用有机溶剂中的一种或者两种的组合淋洗至少三次后，放入真空烘箱，100-150℃下干燥20-30h，即得多级孔共价有机框架化合物；
(a2)多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备
将多级孔共价有机框架化合物、十二烷基硫酸钠、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、CuCl2·2H2O、醋酸钯和氯铂酸溶于超纯水水中，搅拌2-5h，形成均匀溶液C，再缓慢滴入氢氧化钠水溶液，搅拌30min-60min，形成均匀溶液D，之后再逐滴加入磷酸二氢钠，搅拌30min-60min，形成均匀溶液E；将均匀溶液E转移到聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，升温至80-120℃，反应12-48h,即得到多级孔共价有机框架化合物与金属团簇复合材料，将所得多级孔共价有机框架化合物与金属团簇复合材料用超纯水和醇分别清洗至少5次去除无用离子后，再在30-80℃下真空干燥24h，即得多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂，其结构如图1所示，图中Culster 表示金属团簇。
实施例1-6中稀酸为盐酸或者硫酸，有机溶剂为丙酮、四氢呋喃、二氯甲烷中的至少一种，去除无用离子所用的醇为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种。
表1实施例1-6多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂制备工艺参数
Figure BDA0002708931110000061
Figure BDA0002708931110000071
实施例7-12多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法
实施例7-12分别为一种多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，制备多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的工艺参数参见表2，按照以下步骤进行：
(b1)多级孔共价有机框架化合物的制备
将无水氯化锌和2,6-吡啶二甲腈加入安瓿瓶中，对安瓿瓶进行真空泵抽气，保持5-10min；然后将安瓿瓶于脱气状态下使用安瓿瓶封口机封管；将密封的安瓿瓶置于管式炉中于室温匀速升温加热至300-500℃，且保持30-40h，再冷却至室温后，打开容器，得到反应物A；将反应物A研磨成粉末后，采用去离子水洗至少三次来移除氯化锌，再用0.1mol/L的稀酸在室温条件下搅拌10-20h进一步去除氯化锌之后，过滤即得黑色粉末B；将黑色粉末B用去离子水淋洗至少三次，再用有机溶剂淋洗至少三次后，放入真空烘箱，100-150℃下干燥20-30h，即得多级孔共价有机框架化合物；
(b2)多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备
将多级孔共价有机框架化合物、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、CuCl2·2H2O、醋酸钯和氯铂酸溶于超纯水水中，在40-80℃下搅拌2-5h，即得到多级孔共价有机框架化合物与金属单原子复合材料，将所得多级孔共价有机框架化合物与金属单原子复合材料用超纯水和醇分别清洗至少5次去除无用离子后，在30-80℃下真空干燥24h，即得多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂，其结结构如图2所示，图中M 表示金属单原子。
实施例7-12中稀酸为盐酸或者硫酸，有机溶剂为丙酮、四氢呋喃、二氯甲烷中的一种或者两种的组合，去除无用离子方式为所用的醇为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种。
表2实施例7-12多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂制备工艺参数
Figure BDA0002708931110000081
Figure BDA0002708931110000091
实施例13多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的应用
本实施例提供了一种利用实施例1～6中任意一种多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法所制得的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的应用，以及一种利用实施例7～12中任意一种多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法所制得的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的应用，它们用于工业电催化析氢反应中的催化剂制备氢。
过电位(Overpotential)是一个用于衡量电催化析氢效率的重要性能指标。实施例1 的析氢测试结果如图3和图4所示，多级孔共价有机框架化合物，即DCP–CTF，由于共轭结构、高氮含量展现出的过电位是155mV，随着金属团簇修饰之后，过电位有了明显的改善，过电位如表3所示。
实施例7的析氢测试结果如图5和图6所示，当多级孔共价有机框架化合物经过金属单原子修饰之后，过电位有了明显改善，如表4所示，多级孔共价有机框架化合物提供的较大比表面积和金属团簇的活性位点，使得DCP-CTF-Pt2+的过电位与20％的商业铂碳近似，有较好的催化效果，且成本较低。
表3实施例1多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的过电位
Figure BDA0002708931110000101
表4实施例7多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的过电位
Figure BDA0002708931110000102

Claims (10)

1.一种多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
（a1）多级孔共价有机框架化合物的制备
将无水氯化锌和2,6-吡啶二甲腈加入容器中，对容器进行抽气，然后将容器于脱气状态下密封；将密封的容器于室温匀速升温后反应，再冷却至室温后，打开容器，得到反应物A；将反应物A研磨成粉末后，去除氯化锌，得到黑色粉末B；将黑色粉末B淋洗后，干燥，即得多级孔共价有机框架化合物；
（a2）多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备
将多级孔共价有机框架化合物、十二烷基硫酸钠、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、CuCl2·2H2O、醋酸钯和氯铂酸溶于超纯水水中，形成均匀溶液C，再滴入氢氧化钠水溶液，形成均匀溶液D，之后再加入磷酸二氢钠形成均匀溶液E；将均匀溶液E转移到聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，反应即得到多级孔共价有机框架化合物与金属团簇复合材料，再去除无用离子，真空干燥，即得多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂。
2.根据权利要求1所述的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，步骤（a1）中对容器抽气采用真空泵抽气，且保持5-10min；密封容器的升温方式为置于管式炉中升温，从室温匀速升温加热至 300-500˚C，且保持30-40h；去除氯化锌的方式为采用去离子水洗至少三次来移除氯化锌，再用稀酸在室温条件下搅拌10-20h进一步去除氯化锌之后，过滤；淋洗方式为先用去离子水淋洗至少三次，再用有机溶剂淋洗至少三次；干燥方式为将黑色粉末B放入真空烘箱，100-150℃下干燥20-30h。
3.根据权利要求2所述的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，步骤（a1）稀酸为0.1mol/L的盐酸或者硫酸；有机溶剂为丙酮、四氢呋喃、二氯甲烷中的至少一种。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，步骤（a2）中形成均匀溶液C所需搅拌时间为2-5h；形成均匀溶液D所需搅拌时间为30 min-60 min；形成均匀溶液E所需搅拌时间为30 min-60 min；均匀溶液E在聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中反应温度为80-120 ˚C，反应时间为12-48 h；去除无用离子方式为将所得多级孔共价有机框架化合物与金属团簇复合材料用超纯水和醇分别清洗至少5次；真空干燥方式为在30-80℃下真空干燥24h。
5.根据权利要求4所述的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，步骤（a2）中多级孔共价有机框架化合物、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、CuCl2·2H2O、醋酸钯和氯铂酸的摩尔比为10-12:1:1:1:1:1，十二烷基硫酸钠的浓度为15-20 mmol/L，氢氧化钠水溶液浓度为1 mmol/L-2 mmol/L，磷酸二氢钠溶液浓度为0.1 mmol/L-0.5 mmol/L；去除无用离子所用的醇为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种。
6.一种多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
（b1）多级孔共价有机框架化合物的制备
将无水氯化锌和2,6-吡啶二甲腈加入容器中，对容器进行抽气，然后将容器于脱气状态下密封；将密封的容器于室温匀速升温后反应，再冷却至室温后，打开容器，得到反应物A；将反应物A研磨成粉末后，去除氯化锌，得到黑色粉末B；将黑色粉末B淋洗后，干燥，即得多级孔共价有机框架化合物；
（b2）多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备
将多级孔共价有机框架化合物、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、CuCl2·2H2O、醋酸钯和氯铂酸溶于超纯水水中，反应即得到多级孔共价有机框架化合物与金属单原子复合材料，再去除无用离子，真空干燥，即得多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂。
7.根据权利要求6所述的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（b1）中对容器抽气采用真空泵抽气，且保持5-10min；密封容器的升温方式为置于管式炉中升温，从室温匀速升温加热至 300-500˚C，且保持30-40h；去除氯化锌的方式为采用去离子水洗至少三次来移除氯化锌，再用稀酸在室温条件下搅拌10-20h进一步去除氯化锌之后，过滤；淋洗方式为先用去离子水淋洗至少三次，再用有机溶剂淋洗至少三次；干燥方式为将黑色粉末B放入真空烘箱，100-150℃下干燥20-30h。
8.根据权利要求7所述的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，步骤（b1）稀酸为0.1mol/L的盐酸或者硫酸；有机溶剂为丙酮、四氢呋喃、二氯甲烷中的一种或者两种。
9.根据权利要求6-8中任意一项所述的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法，步骤（b2）中多级孔共价有机框架化合物、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、CuCl2·2H2O、醋酸钯和氯铂酸的摩尔比为0.5-1：1-1.5：1-1.5：1-1.5：1-1.5：1-1.5；溶于超纯水水中所需温度为40-80 ℃，且需搅拌2-5h；去除无用离子方式为将所得多级孔共价有机框架化合物与金属单原子复合材料用超纯水和醇分别清洗至少5次，所用的醇为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种；真空干燥方式为在30-80℃下真空干燥24h。
10.权利要求1-9中任意一项所述的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的制备方法制备的多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂的一种应用，其特征在于，多级孔共价有机框架化合物与金属复合析氢催化剂用于工业电催化析氢反应中制备氢。
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