[发明专利]一种基于MXene与金属有机骨架化合物复合结构的析氧反应催化剂及其合成方法

说明书

一种基于MXene与金属有机骨架化合物复合结构的析氧反应催化剂及其合成方法，属于纳米材料、能源与催化领域。该催化剂由表面均匀负载MOFs纳米颗粒的MXene二维纳米薄片组成，具有二维结构。制备方法：将MXene、金属盐、有机配体和缚酸剂溶解混合均匀后，离心、洗涤、真空干燥，获得结构、成分可精细调控的二维纳米结构的电催化剂。本发明获得的电催化剂可有效克服MOFs导电性差、稳定性差而导致析氧反应催化性能无法发挥的基础性难题；所得催化剂在碱性电解液中对析氧反应表现出优异的催化活性与稳定性，为燃料电池、金属空气电池、电解水等新能源技术的广泛应用奠定基础。

技术领域

本发明属于纳米材料、能源与催化领域，涉及一种基于MXene与金属有机骨架化合物复合结构的析氧反应催化剂及其合成方法。

背景技术

以析氧反应(oxygen evolution reaction，OER)为核心反应的燃料电池、金属空气电池、电解水等是当前最具前景的新型可再生能源存储与转化技术体系之一。析氧反应涉及四电子转移过程，反应能垒高，过程动力学速率缓慢，需要使用高效的催化剂以提高其能量转化效率。RuO₂和IrO₂等是目前活性最好的催化剂，但稀缺的资源和高昂的成本限制了其规模化应用。开发廉价、高效、稳定的非贵金属析氧反应催化剂是推动燃料电池、金属空气电池、电解水等新能源技术走向实际应用的关键瓶颈难题之一。

金属有机骨架化合物(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是一类由过渡金属离子和有机配体通过配位键形成的立体有序网络多孔晶体材料，具有孔隙率高、比表面积大、孔径可调等优点。MOFs结构中金属中心元素和有机配体在化学组成上的高度可调控性赋予其多样的独特性质，在能源储存与转换、催化、传感器和气体分离等领域展现了广阔的应用前景。但MOFs在电化学催化领域的应用仍极大受限于其较差的导电性与结构稳定性，基于其的高性能析氧反应催化剂的开发仍面临巨大挑战。

MXene是一类新型过渡金属碳化物或氮化物二维晶体材料。其化学式为M_n+1X_nT_x(n＝1、2、3，M为过渡金属元素，X为碳或氮元素，T为化学基团)，可通过选择性刻蚀层状陶瓷材料MAX相获得。MXene表面富含-OH、-F、-O等活性化学官能团，同时兼具类金属的优异导电性，因而可望作为理想的导电与活性基质以全面提升MOFs材料的导电性与反应活性，实现基于MOFs的新结构、高性能析氧反应催化剂的创制与可控构筑。

发明内容

针对MOFs导电性差、结构稳定性差等缺点，本发明提供了一种基于MXene与MOFs复合结构的析氧反应催化剂及其合成方法，制备得到的催化剂由表面均匀负载MOFs纳米颗粒的MXene二维纳米薄片组成。其中高导电性MXene的引入与MOFs纳米薄层在MXene表面的均匀负载，克服了MOFs导电性差、稳定性差而导致析氧反应催化性能无法发挥的基础性难题，所得催化剂在碱性条件下对电化学析氧反应过程中表现出优异的催化活性与稳定性。该合成方法绿色环保，能耗低、易控制且具有通用性，可用于规模化生产。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于MXene与金属有机骨架化合物复合结构的析氧反应催化剂，该催化剂由表面均匀负载MOFs纳米颗粒的MXene二维纳米薄片组成，具有二维结构，尺寸在100-500nm之间；MXene上负载的MOFs纳米颗粒含量在75wt.％以上，尺寸在10-100nm之间，MOFs中的金属元素包括镍、铁、钴、锰中的至少一种或两种以上。所得催化剂在碱性条件下对析氧反应具有优异的催化活性与稳定性。

一种基于MXene与金属有机骨架化合物复合结构的析氧反应催化剂的合成方法，包括如下步骤：

1)将MXene于常温常压条件下分散在水中制备分散液。

所述的MXene分散液浓度为5-15mg mL^-1。