[发明专利]氮化硼空心复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公布了氮化硼空心复合材料及其制备方法与应用，首先将有机配体加入溶剂中并使其溶解，得到有机配体溶液，之后将金属盐和BN加入溶剂中溶解分散，得到金属盐/BN混合液，然后将所得金属盐/BN加入有机配体溶液中混合经搅拌后静置，之后过滤、洗涤、干燥，得到ZIF/BN材料，最后将所得含ZIF/BN材料煅烧，得到氮化硼空心复合材料。根据本发明所制备的Co₃O₄/BN复合材料具有高度分散的Co₃O₄纳米粒子、空心结构和孔径可调的优点，用于HMF催化氧化反应，表现出优异的催化性能，有很好的工业化应用前景。

技术领域

本发明涉及多孔材料制备与应用领域，尤其涉及氮化硼空心复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

金属有机框架材料(MOFs)是一类由金属离子或团簇和有机配体连接而成的多孔晶体材料，具有大的比表面积、高的孔隙率以及结构和性质可调等特性，在吸附分离、传感、能源转化及多相催化等众多领域备受瞩目。然而，具有单一结构与组分的MOFs材料，由于其功能受到较大限制，无法满足实际应用领域多元化与功能集成化的需求。利用MOFs为模板设计制备结构复杂可控的衍生物材料，有望将多种性质与功能有机结合，进而拓展其在催化领域应用。例如通过特定方法引入一些活性组分从而控制不同组成、形貌和颗粒大小的纳米复合物，可有效实现复合材料催化性能的调变，同时有助于理解催化剂中结构与性能的构效关系。

目前面临的主要问题之一是：现阶段研究较为广泛的ZIF系列材料为模板在高温下煅烧制备氧化物纳米材料，虽然一定程度上实现了对所得材料中宏观形貌的调控，但对其氧化物纳米颗粒的尺寸调节较弱，所得材料中的纳米颗粒依然以几十纳米甚至上百纳米为主，团聚现象极其严重，极大地限制了此类MOFs衍生材料在催化领域中的应用。这是材料工作者面临的一大难题，也是社会发展需求向MOFs材料领域提出的更高要求。

为此，李映伟教授课题组报道了一种以MOFs为模板的介孔限域超细金属氧化物颗粒复合材料，其中制备的Co@KIT-6材料在催化转化5-羟甲基糠醛(HMF)制备2,5-呋喃二甲酸(FDCA)的反应中体现出超高活性和稳定性，其中TOF值高达150h-1，与已有文献报道相比提高了约3～150倍(Fang,R.Q.；Tian,P.L.；Yang,X.F.；Luque,R.；Li,Y.W.Encapsulationof ultrafine metal-oxides nanoparticles within mesopores for biomass-derivedcatalytic applications.Chem.Sci.,2018,9,1854-1859.)。张泽会教授课题组报道了一种光催化剂——CoPz/g-C3N4催化剂，该催化剂对于催化HMF选择性氧化为FDCA具有高活性，在Na₂B₄O₇缓冲溶液中利用空气中的氧，室温下进行光催化可实现99％的HMF转化率，FDCA的选择性也达96％(Xu,S.；Zhou,P.；Zhang,Z.H.；Yang,C,J.；Zhang,B,G.；Deng,K,J.；Bottle,S.；Zhu,H,Z.Selective oxidation of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-furandicarboxylic acid using O₂ and a photocatalyst of Co-thioporphyrazinebonded to g-C3N4.J.Am.Chem.Soc.,2017,139,14775-14782.)。以上研究工作充分显示了钴基纳米材料在催化HMF氧化制备FDCA领域的极大发展潜力。然而，现有的文献报道复合物中的载体通常不具备催化活性，从而在一定程度上影响了反应的催化效率，限制了此类材料的工业化应用。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了氮化硼空心复合材料及其制备方法与应用，氮化硼空心复合材料的制备方法，包括以下步骤：