CN112928288A - 一种mof衍生的钴镍多孔碳复合材料电催化电极的制备方法 - Google Patents

一种mof衍生的钴镍多孔碳复合材料电催化电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料电催化电极的制备方法,由Co/Ni‑MOF为支撑材料前驱体,经高温碳化,得到MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料;所述钴镍多孔碳复合材料为碳化后Co/Ni‑MOF,即Co/Ni‑MOF为骨架碳化,所得材料的微观结构为中空结构,所得材料制备成电极片,具有电催化活性。其制备方法包括以下步骤:一、Co/Ni‑MOF的制备;二、MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料的制备;三、电催化电极片的制备。作为电催化降解水中头孢曲松钠催化剂的应用,最大降解效率为96.75%,20次回收重复使用后,保留初始催化活性的82%。因此,本发明提高了催化剂的稳定性,在电催化应用、抗生素降解等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料电催化电极的制备方法
技术领域
本发明属于电催化降解技术领域,具体涉及一种MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料电催化电极的制备方法。
背景技术
金属有机框架 (metal-organic framework, MOF) 材料是由金属或金属离子与有机配体通过配位键形成的、具有孔道结构的有机/无机杂化材料,它既不同于无机多孔材料,也不同于一般的有机配合物。兼有无机材料的刚性和有机材料的柔性特征。具有比表面积大、孔隙率高、孔径尺寸可调等优点,在气体分离、药物释放、电化学储能等领域有着巨大的发展潜力和广泛的应用前景。MOF材料碳含量较高,具有均一的孔道结构,且碳化后的碳材料仍能保持多孔结构,通过选择金属离子可以调节其孔隙率。杂原子的掺入对材料性能也具有至关重要的影响,这反映在许多应用中催化活性的增强上,研究发现在催化剂表面上杂原子掺杂对电催化水分解非常有效,这主要是由于杂原子(如P,N和S)具有暴露的活性表面积和电极/电解质界面中加速的电荷转移的协同效应。MOF衍生的碳包括封装金属或金属氧化物纳米粒子的碳骨架,非金属掺杂的碳杂化材料,无金属的多孔碳和其他复合材料,这些衍生自MOF的碳具有多孔碳的优点,它改善了原始MOF较差的电导率问题又能保证一定的稳定性,在可控的温度和气氛下进行热解是碳化MOF的最常用方法,MOF可以转化为具有独特纳米结构的衍生碳,这些性质有利于构建性能优异的多孔碳电催化材料。
本发明所述方法具体为:将Co(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、1,3,5-苯三甲酸、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入无水乙醇、N-N二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水混合溶液中,经过充分混合搅拌后,再通过水热法制成Co/Ni-MOF材料;再将得到的Co/Ni-MOF材料通过高温煅烧后得到Co/Ni-MOF多孔碳催化剂材料;将得到的Co/Ni-MOF多孔碳催化剂通过热压法制备成电极,而后应用于电催化降解废水中的头孢曲松钠。该电极结构与组分有利于提高电极的催化氧化活性与降解性能;同时,可以防止脱落,减少了催化材料的流失和废弃物的产生,避免二次污染。该催化剂可以重复使用,降低了处理成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料电催化电极的制备方法。
本发明采用的技术方案是:
一种MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料电催化电极的制备方法,以Co/Ni-MOF为支撑材料前驱体,在氮气氛下经高温碳化,得到具有中空结构的MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料;
所述的具有中空结构的MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料,即Co/Ni-MOF为骨架碳化,所得材料的微观结构为中空结构,所得材料制备成电催化电极片,具有电催化活性。
一种MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料电催化电极的制备方法,包括以下步骤:
步骤1)Co/Ni-MOF的制备:以Co(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、1,3,5-苯三甲酸、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原材料,将其与无水乙醇:N-N二甲基甲酰胺(DMF):去离子水=1:1:1的混合溶液均匀混合,再次充分搅拌后将溶液置于50 mL反应釜中,150 ℃水热,冷却至室温后,经离心、洗涤、烘干得到Co/Ni-MOF;
步骤2)MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料的制备,将步骤1所得Co/Ni-MOF置于管式炉中,在一定条件下经高温碳化,冷却至室温后取出,得到MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料;
步骤3)电催化电极片的制备,将步骤2所得MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料置于烧杯中,65 ℃恒温水浴,酌量滴加无水乙醇润湿,再连续缓慢的滴加10 %的PTFE(聚四氟乙烯)乳液和无水乙醇,直至混合物成凝固状态;
将MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料膏体涂抹覆盖在白钛网的两侧,放置于锟压机上锟压成条状,使得材料附着于白钛网两侧,可通过不断缩小双锟间距来反复锟压,使复合材料与白钛网结合紧密;后将压制好的电极在沸水中煮30分钟,放入60 ℃烘箱内烘干备用;如电极有起泡现象,则需要重新压制。
一种电催化电极的制备方法,其特征在于:20次回收重复使用后,保留初始催化活性的82%。
本发明可以取得的有益效果如下:
1、本发明制备的MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料、孔道结构丰富、较高的比表面积并且具有优异的电化学性能;
2、本发明制备的电催化阴极材料制备方法简单、成本低廉、不会造成污染,且无毒副作用;
3、本发明对于水中头孢曲松钠的降解效果较好,可将大分子有机物降解为小分子有机物,提高废水的可生化性,适用于头孢类抗生素废水降解的预处理;
4、本发明采用热压法将催化剂金属材料负载在阴极钛网表面,工艺简易、实用性广、可用于处理有机废水。
附图说明
图1为制备的MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料形貌图。
图2从左到右依次为制备好的商用DSA(钛涂钌)阳极材料,阴极材料白钛网,MOF衍生的钴镍多孔碳复合电极。
图3为所制备的MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料的XRD谱图。
图4为所制备的MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料的氮气吸附/解吸等温线。
图5为所制备的MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料的相应的孔径分布图。
图6为所制备的MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料电催化降解水中头孢曲松钠2小时内的降解效率。
图7为所制备的MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料电催化降解废水循环使用后降解率的变化图。
具体实施方式一:本实施方式的一种电降解水中头孢曲松钠的MOFs衍生的多孔碳阴极材料的制备方法,按以下步骤进行:
一、白钛网预处理:白钛网作为电极的载流体和支撑体,在使用前需要进行预处理,将白钛网剪成比使用电极略大的矩形,放入装有碱液的烧杯中,在80-90℃的水中煮30min;目的是去除表面有机物,用蒸馏水冲洗干净,再放入装有酸液的烧杯中浸泡30 min,去除表面氧化物,用蒸馏水洗净,自然晾干备用;
碱液的制备:分别称取5 g氢氧化钠、5 g磷酸钠与5 g碳酸钠溶于250 mL蒸馏水中,即可得到需要配制的碱液。酸液的制备:配制0.1 mol/L的盐酸溶液;
二、MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料的制备:将Co(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、1,3,5-苯三甲酸、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与无水乙醇:N-N二甲基甲酰胺(DMF):去离子水=1:1:1的混合溶液均匀混合,再次充分搅拌后将溶液置于50mL反应釜中,150 ℃保持10 h,冷却至室温后,把得到的复合物用去甲醇清洗三遍,60 ℃烘箱中烘干后得到Co/Ni-MOF;然后将所得Co/Ni-MOF置于管式炉中,以2 ℃·min-1的升温速率加热至430 ℃保持8 h,冷却至室温后取出,得到MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料;
三、Co/Ni-MOF多孔碳阴极制备:将Co/Ni-MOF多孔碳材料置于烧杯中,65 ℃恒温水浴,酌量滴加无水乙醇润湿,再缓慢滴加10 %的PTFE乳液,直至混合物成凝固状态。将此混合物均匀涂抹在白钛网两侧,后在锟压机上锟压成条状,使得材料紧密附着于白钛网两侧,可通过不断缩小双锟间距来反复锟压,使复合材料与白钛网进一步结合紧密;将压制好的电极放置在蒸馏水中,在接近煮沸的水中煮30 min,后放入60 ℃烘箱内烘干备用;在沸水中如电极有起泡现象,则需要重新压制;
四、降解水中头孢曲松钠的工艺参数:采用恒电流电解法,外加电流设定为30mA·cm-2,此时,外加电压为9 V,头孢曲松钠废水的浓度为10 mg/L,硫酸钠电解液浓度为0.1 mol/L,极间距为2 cm,头孢曲松钠废水的pH为7,电解时间为120 min。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤二中所述Co(NO3)2·6H2O与Ni(NO3)2·6H2O摩尔比为1:1,其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:步骤二中所述Co(NO3)2·6H2O与Ni(NO3)2·6H2O摩尔比为1:2,其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三不同的是:步骤二中所述Co(NO3)2·6H2O与Ni(NO3)2·6H2O摩尔比为1:3,其他与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四不同的是:步骤二中所述Co(NO3)2·6H2O与Ni(NO3)2·6H2O摩尔比为2:1,其他与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五不同的是:步骤二中所述Co(NO3)2·6H2O与Ni(NO3)2·6H2O摩尔比为3:1,其他与具体实施方式一至五相同。

Claims (6)

1.一种MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料电催化电极的制备方法,其特征在于所述方法为:以Co/Ni-MOF为支撑材料前驱体,在氮气氛下经高温碳化,得到具有中空结构的MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料,其特征在于:所述钴镍多孔碳复合材料为碳化后Co/Ni-MOF,即Co/Ni-MOF为骨架碳化,所得材料的微观结构为中空结构,所得材料制备成电极片,具有电催化活性。
3.一种复合材料电催化电极的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1)Co/Ni-MOF的制备:以Co(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、1,3,5-苯三甲酸、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原材料,将其与无水乙醇、N-N二甲基甲酰胺(DMF)、去离子水的混合溶液均匀混合,再次充分搅拌后将溶液置于50 mL反应釜中,150 ℃水热,冷却至室温后,经离心、洗涤、烘干得到Co/Ni-MOF;
步骤2)MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料的制备,将步骤1所得Co/Ni-MOF置于管式炉中,在一定条件下经高温碳化,冷却至室温后取出,得到MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料;
步骤3)电催化电极片的制备,将步骤2所得MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料置于烧杯中,65℃恒温水浴,酌量滴加无水乙醇润湿,再连续缓慢的滴加10%的PTFE(聚四氟乙烯)乳液和无水乙醇,直至混合物成凝固状态;
将MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料膏体涂抹覆盖在白钛网的两侧,放置于锟压机上锟压成条状,使得材料附着于白钛网两侧,可通过不断缩小双锟间距来反复锟压,使复合材料与白钛网结合紧密;后将压制好的电极在沸水中煮30分钟,放入60 ℃烘箱内烘干备用;如电极有起泡现象,则需要重新压制。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤1)中的六水合硝酸钴和六水合硝酸镍的比例为1:2,无水乙醇、N-N二甲基甲酰胺(DMF)和去离子水的比例为1:1:1,搅拌时间为30 min,水热时间为10 h,离心提取的离心速度为5000 r/min,离心时间为5 min,离心洗涤的溶剂为甲醇,真空干温度为60 ℃。
5. 根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中的高温直接碳化在管式炉中通氮气进行,处理温度为430 ℃,升温速率为2 ℃·min-1,反应时间为8 h。
6.一种MOF衍生的钴镍多孔碳复合材料作为电催化降解头孢曲松钠的应用,其特征在于:20次回收重复使用后,保留初始催化活性的82 %。
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