[发明专利]一种金属有机框架与石墨烯复合材料的制备与析氢应用

说明书

本发明涉及一种金属有机框架与石墨烯复合材料的制备与析氢应用，属于电化学领域；该复合材料通过溶剂热法在高温高压条件下反应24h，并通过洗涤、离心收集和干燥等步骤即可制得。本发明所制得的金属有机框架与石墨烯复合材料在碱性条件下析氢性能优异：在N₂饱和的1 M KOH溶液下，复合材料的过电位(即电流密度为‑10 mA·cm^‑2时的电位)仅为268mV，比原MOF(Ni)正移了425mV。

技术领域

本发明属于一种金属有机框架与石墨烯复合材料的制备技术及其应用领域，具体涉及复合材料的制备方法及其在碱性条件下的析氢催化应用。

背景技术

随着社会的发展，能源问题受到越来越多的关注。寻找新型无污染，能量大、利用率广泛的能源是如今的当务之急。氢气作为一种可再生能源，因其本身无毒，燃烧释放的热量大、无污染等优点而被广泛关注，是一种理想的清洁、高能燃料。电解水制取氢气是如今被认为最有效的制氢方法，研发和使用具有高催化活性的催化剂来提高工业制取析氢的效率是如今制氢行业的首要任务。Pt是最常见的析氢电催化剂，其具有析氢过电位低、催化活性高等优点，但Pt属于贵金属，由于储量少、成本高等原因使其在析氢行业的应用受到限制。在氢气的大规模制备过程中，选用具有高催化活性、价格低廉、含量丰富的催化剂来提升析氢效率是当下的研究重点。

金属有机框架（MOFs）因其具有多孔性及大的比表面积、结构与功能多样性、高度有序等优良特点而成为当今研究领域的热点，具有较大的应用和研究潜力。虽然纯的MOFs作为催化材料时其电化学性能并不高，但本发明将导电性良好、稳定性高的石墨烯掺入MOF(Ni)时得到的复合材料在电化学析氢方面表现出了优越性。石墨烯的掺杂增强了材料的导电性，并使得复合材料的比表面积增大，为析氢反应提供了更多的活性位点，这使得复合材料在碱性条件下的析氢性能表现优越。

发明内容

为了解决现有的技术问题，本发明的目的在于提供一种工艺流程简单，操作简易，成本低的一种金属有机框架与石墨烯复合材料的制备方法及其在碱性条件下的析氢催化应用。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1）将一定量的六水硫酸镍(NiSO₄·6H₂O)和1，3，5-均苯三甲酸(C₉H₆O₆)溶解到

N，N-二甲基甲酰胺、去离子水和无水乙醇的混合溶剂中，经过超声处理和磁力搅拌得到分散均匀的溶液；

2）将步骤1）中的混合溶液转移至反应釜中，并在200℃的烘箱中反应24h；

3）将步骤2）中反应结束后的混合溶液置于离心管中离心取沉淀，使用无水乙醇和去离子水对所得沉淀洗涤后离心收集；

4）将步骤3）中离心所得产物进行干燥，即可获得金属有机框架MOF(Ni)；

5）将一定量的石墨烯超声分散于步骤1）中的混合溶液中，并将所得的混合溶液转移至反应釜中，在200℃的烘箱中反应24h；

6）将步骤5）中反应结束后的混合溶液置于离心管中离心取沉淀，使用无水乙醇和去离子水对所得沉淀洗涤后离心收集；

7）将步骤6）中离心所得产物进行干燥，即可获得金属有机框架与石墨烯复合材料；

8）将所合成的材料进行析氢测试。

优选的，所述步骤1）中N，N-二甲基甲酰胺、去离子水和无水乙醇混合溶剂的比例为1：1：1（V:V:V）。

优选的，所述步骤3）和步骤6）中离心具体为以8000-12000r/min的速度离心3min。

优选的，所述步骤4）和步骤7）中干燥具体为在60℃下干燥6-12h。

优选的，所述步骤8）中析氢测试具体为使用电化学工作站，采用三电极体系将制备出的材料置于N₂饱和的1 M KOH溶液中进行线性扫描伏安曲线测试。