[发明专利]一种均三嗪基金属有机框架物/Ni复合材料的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种均三嗪基金属有机框架物/Ni复合材料的制备方法以及基于该催化剂电解水析氧的应用，属于纳米催化、纳米材料、金属有机框架物技术领域。其主要步骤将硝酸钴水溶液、三聚氰酸悬浮液共混，将共混液涂覆在活化镍网上，在空气氛下，加热至300‑400 ℃，成功制得三嗪基金属有机框架物纳米晶体负载在活化镍网上的杂化材料。该材料制备所用原料成本低，制备工艺简单，反应能耗低，具有工业应用前景。该催化剂具有高效催化电解水析氧活性以及电化学稳定性。

技术领域

本发明涉及一种均三嗪基金属有机框架物/Ni复合材料的制备方法以及基于该复合材料作为催化剂应用于电解水析氧；属于复合材料、催化技术、金属有机框架物技术领域。

背景技术

随着社会经济的高速发展和世界人口的不断增长，人类对化石燃料，如煤和石油等的耗用，给现有的能源储备和自然环境带来了前所未有的压力和挑战。为应对新生的能源消费以及现有人口生活质量提高的要求，世界各国均亟待寻找到可持续使用的清洁能源载体。电催化直接分解水制备氢气被认为实现该过程有效的方式。电催化分解水反应包括析氢(hydrogen evolution reaction，HER)和析氧(oxygen evolution reaction，OER)两个半反应，来自电阻、反应以及传输三个方面系统本征的能量损耗以及现有催化剂的价格、活性和稳定性方面的因素，都极大地限制了其推广和广泛应用。尽管析氧仅是一个副反应，但是为了驱动析氧反应给系统运行带来的功耗损失却最大，成为提高整体效率的瓶颈。寻找廉价易得且性能稳定的新型析氧电催化剂，对长远发展氢能、减小环境污染乃至缓解世界范围内的能源问题，具有广泛且重要的现实意义。

在很多已探索的体系中，二氧化铱(IrO₂)和二氧化钌(RuO₂)被认为最有效。然而，他们稀缺和昂贵的价格，限制了其广泛实际的应用，为此，开发高效、价廉且地球含量丰富的非贵金属析氧催化剂，降低析氧电消耗成为一个机遇和挑战。

价廉的铁、钴、镍催化剂，是已报道实现高活性析氧有前景的催化剂。此外，碳基、镍基或杂原子掺杂的复合材料也是析氧催化剂的创新性选择。除了材料组成之外，催化剂的活性和其形态密切相关。为此，研究开发具有资源丰富的新组成和新形态催化剂，对实现高活性析氧具有重要的意义。

三聚氰酸是一种常见的均三嗪化合物，在其结构中含有3个氮和3个氧原子，形成了氮、氧杂六元环，三聚氰酸还能以烯醇式或酮式等多种形式的共振分子存在，在金属配合物的合成中可以提供大量的配位点，是构成金属有机框架物的良配体。据我们所知，基于三聚氰酸和Co（II）离子形成的纳米金属有机框架物及其在水分解析氧技术技术领域未见报道，本发明采用一步室温工艺，将Co（Ⅱ）正离子与三聚氰酸配位结合，再在镍网上空气热解，成功获得了均三嗪基金属有机框架物/Ni复合材料高效催化剂。

发明内容

本发明的技术任务之一是为了弥补现有技术的不足，提供一种均三嗪基金属有机框架物/Ni复合材料的制备方法，该方法所用原料成本低，制备工艺简单，反应能耗低，所得产物性能优良，具有工业应用前景。

本发明的技术任务之二是提供所述均三嗪基金属有机框架物/Ni复合材料的用途，即将该复合材料用于高效催化电解水析氧，该催化剂具有良好的析氧电催化活性与电化学稳定性。

本发明的技术方案如下：

1. 一种均三嗪基金属有机框架物/Ni复合材料的制备方法

将0.48-0.68 g 硝酸钴溶于2-3 ml蒸馏水中，制得硝酸钴的水溶液；将0.20-0.32g 三聚氰酸与4-5 mL水共混，超声1min，制得三聚氰酸悬浮液；将两溶液振摇共混，取0.10-0.15 ml均匀涂抹于面积为0.5 cm×1cm的活化镍网上，置入管式炉中空气氛下，以2℃/min的速率升温至300-400℃，保温3h，再以2℃/min的速率降温冷却至室温，制得均三嗪基金属有机框架物/Ni复合材料。