[發(fā)明專利]一種葡萄糖酸增強(qiáng)催化活性的MOF催化劑的制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810997712.3
• 申請(qǐng)日: 2018-08-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109107609B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙璐;王志玲;李輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 濟(jì)南大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J31/22
• 分類號(hào): B01J31/22;C25B11/095;C25B11/054;C25B1/04
• 代理公司: 濟(jì)南譽(yù)豐專利代理事務(wù)所(普通合伙企業(yè)) 37240
• 代理人: 高強(qiáng)

本發(fā)明公開(kāi)了一種葡萄糖酸增強(qiáng)催化活性的MOF催化劑的制備方法以及基于該催化劑電解水析氧的應(yīng)用，屬于納米催化、納米材料、金屬有機(jī)框架物材料技術(shù)領(lǐng)域。其主要步驟是將間苯三甲酸溶液與硝酸鎳溶液室溫共混后，加入配制好的葡萄糖酸溶液，利用混合溶液作為電解液沉積到泡沫鎳上,活化之后即得葡萄糖酸鎳?間苯三甲酸鎳復(fù)合催化劑，即葡萄糖酸增強(qiáng)催化活性的MOF催化劑。該催化劑制備所用原料成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)能耗低，具有工業(yè)應(yīng)用前景。該催化劑用于高效催化電解水析氧，具有良好的析氧電催化活性與電化學(xué)穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種葡萄糖酸增強(qiáng)催化活性的MOF催化劑的制備方法以及基于該催化劑電解水析氧的應(yīng)用，屬于納米催化、納米材料、金屬有機(jī)框架物材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

現(xiàn)代社會(huì)的飛速發(fā)展引起了對(duì)環(huán)保可再生能源氫氣的巨大需求，它作為一種理想能源，被提議變成未來(lái)世界的主要利用能源，屬于二次能源。如今，氫氣的產(chǎn)生主要通過(guò)天然氣的蒸汽甲烷重整（即水和甲烷之間反應(yīng)形成H₂和CO₂）。因此，現(xiàn)在生產(chǎn)氫氣伴隨著一系列的溫室效應(yīng)，這樣既沒(méi)做到再生也不能進(jìn)行碳中和。相對(duì)于現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的重整制氫，利用水的電解生產(chǎn)氫可再生又環(huán)保。電催化直接分解水制備氫氣被認(rèn)為實(shí)現(xiàn)該過(guò)程有效的方式。電催化分解水反應(yīng)包括析氫(hydrogen evolution reaction，HER)和析氧(oxygenevolution reaction，OER)兩個(gè)半反應(yīng)，來(lái)自電阻、反應(yīng)以及傳輸三個(gè)方面系統(tǒng)本征的能量損耗以及現(xiàn)有催化劑的價(jià)格、活性和穩(wěn)定性方面的因素，都極大地限制了其推廣和廣泛應(yīng)用。盡管析氧僅是一個(gè)副反應(yīng)，但是為了驅(qū)動(dòng)析氧反應(yīng)給系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的功耗損失卻最大，成為提高整體效率的瓶頸。尋找廉價(jià)易得且性能穩(wěn)定的新型析氧電催化劑，對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展氫能、減小環(huán)境污染乃至緩解世界范圍內(nèi)的能源問(wèn)題，具有廣泛且重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在眾多的析氧催化劑中，對(duì)于MOF的研究越來(lái)越廣泛和深入。金屬-有機(jī)骨架材料（Metal-OrganicFrameworks）是指過(guò)渡金屬離子與有機(jī)配體通過(guò)自組裝形成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶體多孔材料。它具有高孔隙率、低密度、大比表面積、孔道規(guī)則、孔徑可調(diào)以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣性和可裁剪性等優(yōu)點(diǎn)，使得MOF在氣體儲(chǔ)存、分離、催化、識(shí)別和藥物傳輸?shù)阮I(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

二氧化銥(IrO₂)和二氧化釕(RuO₂)是目前析氧催化劑中性能很好的組成部分，但是成本較高，因此開(kāi)發(fā)高效、價(jià)廉且地球含量豐富的非貴金屬析氧催化劑，降低析氧電消耗成為一個(gè)機(jī)遇和挑戰(zhàn)。間苯三甲酸與硝酸鎳形成的MOF已被許多實(shí)驗(yàn)及文獻(xiàn)證實(shí)在電化學(xué)方面有著優(yōu)異的性能，例如2018年孫旭平的團(tuán)隊(duì)用間苯三甲酸與硝酸鎳合成了Ni₃(BTC)₂，并用來(lái)檢測(cè)析氧性能，檢測(cè)結(jié)果證明Ni₃(BTC)₂能夠達(dá)到很好的析氧效果。提高析氧性能的途徑一是使用更加穩(wěn)定且性能更好的前驅(qū)體MOF以及基底如碳布、泡沫鎳等，再者就是進(jìn)行摻雜，常用的摻雜物質(zhì)有石墨烯、含氮或含磷化合物、葡萄糖等等，早在1994年，ChebroluP. Rao就證實(shí)了糖類衍生物可以通過(guò)降低溶液pKa值來(lái)合成，并在文章中提及糖類衍生物的電化學(xué)使用價(jià)值[Chebrolu P. Rao等，Polyhedron, 1994, 13, 1895-1906],

目前，據(jù)我們所知，在此基礎(chǔ)上摻雜葡萄糖酸進(jìn)行析氧性能的研究未見(jiàn)報(bào)道。葡萄糖酸成本低，制備簡(jiǎn)易，價(jià)格低廉，本開(kāi)發(fā)首先制備了間苯三甲酸-硝酸鎳溶液，加入葡萄糖酸之后采用電化學(xué)沉積法，活化后制備了葡萄糖酸鎳-間苯三甲酸鎳復(fù)合催化劑，即一種葡萄糖酸增強(qiáng)催化活性的MOF催化劑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)之一是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種葡萄糖酸增強(qiáng)催化活性的MOF催化劑，即葡萄糖酸鎳-間苯三甲酸鎳復(fù)合催化劑的制備方法，該方法所用原料成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)能耗低，具有工業(yè)應(yīng)用前景。