[發明專利]一種基于COFs衍生納米碳管催化ORR反應的方法

有效

• 申請號: 202010895107.2
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN112038647B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 陸雙龍;甘志健;杜明亮;朱罕;段芳
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B82Y40/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 張勇

本發明公開了一種基于COFs衍生納米碳管催化ORR反應的方法，屬于燃料電池陰極部分電催化氧還原領域。本發明所述的共價有機框架COFs衍生的納米碳管在催化陰極氧還原反應中的應用，包括如下步驟：將共價有機框架COFs衍生的納米碳管作為催化劑應用在陰極氧還原反應中，其中采用的納米碳管由COFs衍生而來，規整可控的摻金屬/雜原子或碳管直徑與壁厚都有利于ORR活性的調控，具有良好的應用前景，而且采用溶劑熱制備方法，既簡單又安全。

技術領域

本發明涉及一種基于COFs衍生納米碳管催化ORR反應的方法，屬于燃料電池陰極部分電催化氧還原領域。

背景技術

傳統的化石燃料因其儲量有限和利用后引起的一系列環境問題，已不能滿足世界經濟發展的需求。人們急需要改變能源的使用方式和結構，開發高效、經濟和環保的新能源利用技術。燃料電池是一種能夠將燃料(如氫氣、甲醇等)與氧化劑(氧氣等)的化學能直接通過電化學反應轉變成電能的化學裝置，高效無污染而具有廣泛前景。但是，電化學動力學遲緩的陰極氧還原反應(ORR)，極大的降低了燃料電池的效率。目前，催化氧還原過程最為常見的催化劑是Pt基貴金屬催化劑，商業化燃料電池大部分使用的是Pt/C催化劑。但Pt存在儲量少及價格昂貴等缺點，所以關鍵是要找到價格低廉且具有高效ORR表現的催化劑，于是非貴金屬/無金屬摻雜原子碳材料受到了廣泛關注。

發明內容

為了解決上述至少一個問題，本發明的目的在于提供一種基于COFs衍生納米碳管催化ORR反應的方法，所述的共價有機框架衍生的納米碳管的制備方法為：選擇金屬納米線作為模板，真空環境下通過溶劑熱反應在其表面原位生長COFs，將得到的復合材料在惰性氣體氛圍下高溫煅燒后用硝酸溶液刻蝕金屬得到納米碳管；該方法工藝簡單、巧妙，制備的碳材料規整、可控、ORR活性可觀。

本發明的第一個目的是提供一種基于COFs衍生納米碳管催化ORR反應的方法，包括如下步驟：將共價有機框架COFs衍生的納米碳管作為催化劑應用在陰極氧還原反應中；其中所述的COFs衍生的納米碳管的制備方法為：

(1)選擇金屬納米線作為模板，真空環境下通過溶劑熱反應在其表面原位生長COFs，得到復合材料；

(2)將步驟(1)得到的復合材料置于反應容器中，升溫至800-1000℃；之后冷卻得到碳化材料；其中，整個過程都處于惰性氣體保護下；

(3)將步驟(2)得到的碳化材料置于容器中進行酸洗，之后經過過濾、洗滌、干燥得到COFs衍生納米碳管。

可選的，所述的COFs衍生的納米碳管的制備方法為：

(1)選擇金屬納米線作為模板，真空環境下通過溶劑熱反應在其表面原位生長COFs，得到復合材料；

(2)將步驟(1)得到的復合材料置于反應容器中，升溫至800-1000℃保溫2-5h；之后冷卻至室溫，得到碳化材料；其中，整個碳化過程都處于惰性氣體保護下；

(3)將步驟(2)得到的碳化材料置于反應容器中，加入配制好的酸溶液攪拌均勻；之后經過過濾、洗滌得到COFs衍生的納米碳管。

可選的，所述的將共價有機框架COFs衍生的納米碳管作為催化劑應用在陰極氧還原反應中，具體是：將共價有機框架COFs衍生的納米碳管作為催化劑，溶解在溶劑中得到催化劑溶液；之后采用催化劑溶液修飾玻碳電極作為工作電極；最后將工作電極應用在催化電解水中的氧析出反應即可。

可選的，COFs層的厚度范圍為1-5nm。

可選的，所述的催化劑溶液的濃度為0.001-0.01mg/μL，進一步優選為0.0058mg/μL。

可選的，所述的催化劑溶液的用量為10μL/0.1-0.2cm²，進一步優選為10μL/0.192cm²；即10微升催化劑溶液滴在面積0.192cm²玻碳電極上。