[发明专利]一种基于金属有机框架材料的催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种基于金属有机框架材料的新型催化剂及其制备方法和应用，属于功能纳米材料制备技术领域。以Ti₃AlC₂为原料，采用酸性溶液腐蚀球磨过筛后的Ti₃AlC₂，将Al原子层除去，生成二维材料Ti₃C₂纳米片，再以Ti₃C₂纳米片、四水合醋酸钴和1,4‑对苯二甲酸为前驱体，通过原位生长法，四水合醋酸钴和1,4‑对苯二甲酸在Ti₃C₂表面生成一种金属有机框架配合物(MOF)—对苯二甲酸钴配合物CoBDC，两者复合即得到产物碳化钛‑对苯二甲酸钴配合物的复合物Ti₃C₂‑CoBDC，该方法在制备上操作简便安全，生产周期短，生产成本低，产率高且基本无副产物，有利于实现扩大化生产，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及功能纳米材料制备技术领域，具体涉及一种基于金属有机框架材料的新型催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着化石燃料的消耗殆尽，能源问题及环境危机成为突出的社会问题。寻找高效清洁的替代能源，具有重要的研究意义。电化学能因其清洁、高效等特点越来越受到人们的重视。氧还原反应和析氧反应是电化学反应的核心部分。铂，钌，铑，铱及以其为基础的复合物是常用的贵金属双功能催化剂，其催化性能高，抗积碳能力强，稳定性好，但由于其价格昂贵，存储量少，寻找替代材料已成为当务之急。在过去几年，研究者在纳米技术和合成化学发展的基础上，探索出一系列材料来降低贵金属的用量，如铂基合金材料，即将少量金属铂与过渡金属(或其氧化物)、纳米碳杂化材料、非金属碳基材料等进行复合，探索出降低贵金属材料的新型催化剂。

基于文献中的报道，双功能催化剂可以分为两大种类：碳基催化剂和混合金属氧化物催化剂。碳基催化剂包括掺氮石墨烯、掺氮多孔碳、掺硼碳、碳纳米管和石墨烯等。近年来，随着石墨碳(如碳纳米管、石墨烯纳米片等)的普及，碳基材料获得了极大的重视，然而对碳基催化剂的研究仍然处于初始阶段，而且其作为双功能催化剂的不稳定性仍然是一个巨大的挑战。

近年来，一种新型的二维材料——MXene，正引起人们的注意。MXene是一种新型过渡金属碳氮化物，具有类石墨烯结构，其化学式为M_n+1X_n，通过刻蚀三元层状化合物M_n+1AX_n中的Al原子层得到，其中，n＝1、2、3，M为早期过渡金属元素，X为碳或氮元素，A代表13或14族元素。目前，已知的MAX相大约有60多种，Ti₃AlC₂是其代表性化合物。2011年，Yury Gogotsi等人通过HF浸蚀的方法在常温下选择性的从Ti₃AlC₂中将Al除去，成功的制备了表面具有亲水官能团的Ti₃C₂二维纳米片层。此后，他们又对此方法进行了进一步的推广。同时，测定了由这些碳化物纳米片组成的薄膜具有很好的透光性和导电性。

金属有机框架配合物，简称MOF，是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。其一般具有沸石和类沸石的结构。MOF因为其比表面积较大，孔道可调控，可功能化，可以应用在催化、吸收、气体贮存、传感器设计、生物显影和药物传送等方面。然而，大部分的MOF导电性较差，这限制了其在这些领域的应用。

目前未见通过水热法和原位生长法连用制得MXene-MOF的复合材料及其在催化领域的应用。这一方法将会推动MXenes和MOF制备的双功能催化剂在能源方面的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效、低廉、具有巨大商业价值的合成碳化钛-对苯二甲酸钴配合物复合物的方法，获得具有析氧和氧还原双功能催化性能的材料。