CN116333304A - 紫精连接的卟啉基共价有机框架材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紫精连接的卟啉基共价有机框架材料及其制备方法与应用。其是以1,1'‑双(2,4‑二硝基苯基)‑4,4'‑二氯化联吡啶和5,10,15,20‑四(4‑氨基苯基)卟啉钴为单体,通过冷冻、真空封管、高温反应,合成所述紫精连接的卟啉基共价有机框架材料。该材料具有优异的导电性和稳定性,在电催化二氧化碳还原中显示出较高的催化活性以及电流密度,且其制备工艺简单,应用效果好。
Description
技术领域
本发明属于催化材料制备技术领域,具体涉及一种紫精连接的卟啉基共价有机框架材料及其制备方法与应用。
背景技术
为解决CO2过量排放导致的一系列环境问题,加速低碳转型是当下至关重要的研究内容。利用太阳能、水能、风能、地热能等方式获取的电能是一种可再生的清洁能源。因此,电催化技术已成为近年来研究的热点。而电催化二氧化碳还原可以有效地将二氧化碳转化为具有高附加值的化学品或燃料,从而实现封闭的碳循环,解决二氧化碳过度排放带来的问题。近年来,为了实现高效的CO2还原,人们研究报道了大量的催化剂,包括金属基催化剂、单原子催化剂等。但这些催化剂导电性差,通常导致CO2RR电流密度低,限制了其在工业中的应用;且其结构不稳定,容易在电催化过程中发生重构失活;活性中心不明确,导致表征及机理研究困难等问题。
共价有机框架(COFs)材料是一类新兴的CO2电还原催化剂,它具有明确的活性中心,有利于机理研究;同时它具有的孔道结构,有利于CO2的传质过程,提高CO2与活性中心的接触。然而大多数COFs的导电性较差,使得它们很难应用于工业应用中。基于此,本发明设计了一种紫精连接的卟啉基共价有机框架材料,其具有良好的导电性和稳定性,将其应用于CO2电还原,具有优异的产物选择性及较高的电流密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紫精连接的卟啉基共价有机框架材料及其制备方法与应用,将该卟啉基共价有机框架材料用于电催化二氧化碳还原,具有优异的催化活性、稳定性、选择性和较高的电流密度。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种紫精连接的卟啉基共价有机框架材料,其是以1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶和5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉钴为单体,通过冷冻、真空封管、高温反应,合成所述紫精连接的卟啉基共价有机框架材料。
具体地,其是采用1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶和5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉钴为原料,以乙醇和水作为溶剂形成反应体系,经冷冻、真空封管后,在120℃下反应3天,得到所述紫精连接的卟啉基共价有机框架。
进一步地,所述1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶和5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉钴的摩尔比为2:1。
进一步地,所述溶剂中乙醇和水的体积比为4:1。
进一步地,所述反应体系在冷冻前可进行超声。
进一步地,反应后进行抽滤,并分别用乙醇、水洗涤,之后用乙醇进行索式提取,最后干燥。
所得紫精连接的卟啉基共价有机框架材料可用于电催化二氧化碳还原反应。
本发明具有如下优点:
本发明以1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶和5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉钴为单体,通过真空封管、高温反应的方法,合成了一类由紫精连接的卟啉基共价有机框架材料。本发明通过在紫精与卟啉钴之间形成C-N键,而使紫精单体与卟啉钴单体连接成稳定的网络结构,其具有优异的导电性,并在CO2电催化还原反应中展现了较高的催化活性以及电流密度,且其制备方工艺简单,应用效果好。
附图说明
图1为实施例所制备Por(Co)-Vg-COF的X射线光谱图。
图2为实施例所制备Por(Co)-Vg-COF的扫描电镜图。
图3为实施例所制备Por(Co)-Vg-COF的透射电镜图。
图4为实施例所制备Por(Co)-Vg-COF的红外光谱图。
图5为实施例所制备Por(Co)-Vg-COF中Co的X射线光电子能谱图。
图6为实施例所制备Por(Co)-Vg-COF的电导率图。
图7为实施例所得Por(Co)-Vg-COF在H型电解池中电催化二氧化碳还原的选择性图。
图8为实施例所得Por(Co)-Vg-COF与COF-366-Co在H型电解池中电催化二氧化碳还原的电流密度对比图。
图9为实施例所得Por(Co)-Vg-COF在H型电解池中-0.6V下电催化二氧化碳还原的稳定性测试结果图。
图10为实施例所得Por(Co)-Vg-COF在气体扩散电极中1M KOH电解质下电催化二氧化碳还原的选择性图。
图11为实施例所得Por(Co)-Vg-COF在气体扩散电极中0.06 M H2SO4和0.5 MK2SO4(pH=2)电解质下电催化二氧化碳还原的选择性图。
具体实施方式
一种紫精连接的卟啉基共价有机框架材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶和5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉钴按摩尔比2:1装入玻璃管中;
2)向玻璃管中加入乙醇和水(4:1,v/v)的混合液;
3)将玻璃管进行超声处理,以使单体充分溶解;
4)将所得混合溶液于液氮中进行冷冻后,采用双排管抽真空,之后高温封管,冷却后置于120℃烘箱中加热3天;
5)反应结束后抽滤,分别用乙醇、水洗涤之后,用乙醇索式提取,然后干燥,得到紫精连接的卟啉基共价有机框架材料。
为了使本发明所述的内容更加便于理解,下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明,但是本发明不仅限于此。
实施例 紫精连接的卟啉基共价有机框架材料(Por(Co)-Vg-COF)的制备
1)称取0.02 mmol的5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉钴以及0.04 mmol的1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶,装入内径为8 mm的玻璃管中;
2)向玻璃管中加入1.6 mL的乙醇和0.4 mL的水;
3)将玻璃管超声震荡30分钟,以使单体充分溶解;
4)将所得混合溶液于液氮中进行冷冻后,采用双排管抽真空,之后高温封管,冷却后置于120℃烘箱中加热3天;
5)反应结束后抽滤,然后分别用乙醇、水洗涤之后,用乙醇索式提取24小时,然后在真空烘箱中70℃干燥,得到棕色固体产物,命名为Por(Co)-Vg-COF。
图1-图4分别为所制备Por(Co)-Vg-COF的X射线光谱图、扫描电镜图、透射电镜图及红外光谱图。由图可证明Por(Co)-Vg-COF的成功合成。
图5为实施例1所制备Por(Co)-Vg-COF中Co的X射线光电子能谱图。如图5所示,Por(Co)-Vg-COF中的Co为+2价。
图6为实施例1所制备Por(Co)-Vg-COF的电导率图。如图6所示,Por(Co)-Vg-COF具有良好导电性,其电导率为3.7×10-7S m-1。
应用实施例1:电催化二氧化碳还原反应
电极的制备:在三电极H型玻璃电解池中进行电化学测试,电解池由阴极池与阳极池组成,中间用质子交换膜分隔。工作电极是取一定量的Por(Co)-Vg-COF分散在500μL异丙醇中,再加入0.02 mL的5%萘酚溶液,超声分散,然后取100 μL上述混合液滴在单面碳纸电极上(面积1cm2),常温下干燥制备而成,铂网为对电极,参比电极为Ag/AgCl。
电化学性能测试:将70mL 0.5mol/L KHCO3电解液填装在电解池内,将工作电极与参比电极置于阴极池里,将对电极置于阳极池里,装置密封,向阴极池里以30mL每分钟的通气速率持续通入高纯二氧化碳气体。待气体达到饱和后(约通气30分钟),进行循环伏安扫描,扫描速度为100 mV·s-1,扫描范围为0到-1.2 V(所有表示电位均已换算为对标准氢电极的电位),扫描圈数30圈(该步骤的作用是对催化剂表面进行清洁并起到一定的活化作用)。
电催化二氧化碳性能测试采用线性伏安曲线表征催化剂活性,扫描速度为10mV·s-1,扫描范围为0到-1.2V。
1. 电催化二氧化碳还原的性能测试:使用计时电流法分别从-0.6V至-1.1 V进行测试,每个电位持续10分钟后收集生成的气体产物,用气相色谱进行分析,结果见图7、8。
如图7、8所示,Por(Co)-Vg-COF具有优异的产物选择性及较高的电流密度。Por(Co)-Vg-COF对CO的分电流密度随着电位的增加而不断增大,在-0.9 V时达到-11.2 mAcm-2,高于类似结构的卟啉基共价有机框架材料COF-366-Co,Por(Co)-Vg-COF优异的CO2RR性能突出了紫精作为ETM向Co中心传递快电子的有效性。
2. 电催化二氧化碳还原的稳定性测试:在-0.6 V电位下,使用计时电流法测试催化剂电流及催化产物选择性的变化,持续时间为10 h,结果见图9。
如图9所示,Por(Co)-Vg-COF具有良好的稳定性。
应用实施例2:电催化二氧化碳还原的反应步骤
电极的制备:在三电极气体扩散电极电解池中进行电化学测试,电解池由阴极池与阳极池组成。工作电极是取一定量的Por(Co)-Vg-COF分散在500μL异丙醇中,再加入0.02ml的5%萘酚溶液,超声分散。然后取100μL上述混合液滴在单面碳纸电极上(面积0.8cm2),常温下干燥制备而成,铂片为对电极,参比电极为Ag/AgCl。
电化学性能测试:将100ml 1mol/L KOH电解液填装在电解池内,将工作电极固定在阴极池里,将对电极置于阳极池里,装置密封,电解液用蠕动泵向阴阳两极鼓入,流速为20毫升每分钟,向阴极池里以20毫升每分钟的通气速率持续通入高纯二氧化碳气体。电催化二氧化碳性能测试采用线性伏安曲线表征催化剂活性,扫描速度为10mV·s-1,扫描范围为0到-1.2V。
电催化二氧化碳还原的选择性测试:使用计时电流法分别从-0.5V至-0.9V进行测试,每个电位持续10分钟后收集生成的气体产物,用气相色谱进行分析,结果见图10。
将电解质溶液更换为0.06 M H2SO4+0.5 M K2SO4溶液,按上述相同方法测试Por(Co)-Vg-COF的电催化还原CO2的性能,结果见图11。
图10、11说明在气体扩散电极中Por(Co)-Vg-COF具有优异的CO2电催化还原性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种紫精连接的卟啉基共价有机框架材料的制备方法,其特征在于,以1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶和5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉钴为单体,通过冷冻、真空封管、高温反应,合成所述紫精连接的卟啉基共价有机框架材料。
2.根据权利要求1所述的紫精连接的卟啉基共价有机框架材料的制备方法,其特征在于,所述1,1'-双(2,4-二硝基苯基)-4,4'-二氯化联吡啶和5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉钴的摩尔比为2:1。
3.根据权利要求1所述的紫精连接的卟啉基共价有机框架材料的制备方法,其特征在于,所述高温反应的温度为120℃,时间为3天。
4.一种如权利要求1所述方法制备的紫精连接的卟啉基共价有机框架材料。
5.一种如权利要求4所述紫精连接的卟啉基共价有机框架材料在电催化二氧化碳还原反应中的应用。
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CN202310367575.6A CN116333304A (zh) | 2023-04-07 | 2023-04-07 | 紫精连接的卟啉基共价有机框架材料及其制备方法与应用 |
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