[發明專利]一種過渡金屬摻雜鎳基金屬有機框架三維電極材料的制備方法及其產品和應用

有效

• 申請號: 202011011398.0
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112430828B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 侯陽;程帆鵬;楊彬;雷樂成
• 申請（專利權）人: 浙江大學衢州研究院;浙江大學
• 主分類號: C25B11/065
• 分類號: C25B11/065;C25B11/091;C25B1/04;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 白靜蘭;胡紅娟

本發明公開了一種過渡金屬摻雜鎳基金屬有機框架三維電極材料的制備方法：(1)將石墨片通過電化學剝離法制備得到三維導電石墨基底；(2)將步驟(1)中所獲得的材料放置在二價鎳鹽、摻雜過渡金屬鹽和對苯二甲酸混合溶液中，進行一步水熱反應從而在三維導電石墨基底上原位生長負載過渡金屬摻雜鎳基金屬有機框架納米片陣列，得到過渡金屬摻雜鎳基金屬有機框架三維電極材料。本發明還提供了上述制備方法得到的過渡金屬摻雜鎳基金屬有機框架三維電極材料及其在堿性電解液中電解水析氧中的應用。該三維電極材料在堿性電解液中展現出優異的催化性能，且具有良好的穩定性，在工業應用上具有較高的實用價值和前景。

技術領域

本發明屬于能源轉化和環境催化技術領域，具體涉及一種過渡金屬摻雜鎳基金屬有機框架三維電極材料的制備方法及其產品和應用。

背景技術

為了解決因化石燃料快速消耗所導致的日漸嚴峻的環境問題，開發先進的低成本且高效率的能量轉換和存儲裝置成為了首要發展目標，如燃料電池、金屬-空氣電池和水電解槽等。同時為了推動清潔和可再生能源的發展，需要進一步提升這些器件的效率。然而，陽極析氧反應由于其四電子轉移過程所導致的緩慢動力學，已經是發展這些電化學能量儲存和轉換裝置的限制反應之一，同時，目前用于陽極析氧反應的最佳電催化劑一般是貴金屬釕基與銥基材料，由于貴金屬材料的稀缺性和高成本極大程度上限制了其商業化大規模應用。因此迫切需要開發低成本、高能效的析氧催化劑來替代昂貴的貴金屬材料。

近年來，金屬有機框架(MOF)化合物作為一類新型的晶體和微孔材料得到了人們廣泛關注。該系列MOF材料由金屬原子節點和具有周期性結構單元的有機配體之間的配位鍵連接形成，通常具有可調節的孔隙率和高比表面積。近年來，直接使用MOF材料作為催化劑應用于電催化析氧反應也引起了廣泛的關注，然而由于MOF材料普遍具有較差的導電性和材料不穩定性等問題，目前報道的MOF基析氧電催化材料仍然受到了極大的限制。為了克服這些限制，大多數MOF材料都作為前驅體或者模板，通過高溫熱解來衍生各種碳基金屬化合物材料。

例如，公開號為CN111584871A的中國專利文獻公開了一種金屬有機框架衍生硫化鐵@碳納米復合材料作為鋰離子電池負極材料的方法，該方法通過富馬酸和硝酸鐵水熱反應得到紡錘狀的MIL-88納米顆粒，進行摻硫、煅燒后可以得到碳包覆、硫摻雜核殼結構的硫化鐵@碳納米復合材料。又如公開號為CN111482189A中國專利文獻公開了一種以金屬有機框架物為前驅物制備核殼結構NiSe₂@NC電催化析氫材料的方法，該方法通過水熱反應對混合配體的金屬有機框架進行選擇性硒化，再通過一步管式爐煅燒反應，從而制備出一系列具有可調節的氮摻雜的碳包覆的立方相核殼二硒化鎳正八面體材料。然而，高溫熱解過程會破壞MOF材料的原始結構，導致有機配體的損失和金屬節點的團聚，不利于利用MOF自身的固有優勢特性進行催化。

因此，研制出一種具有普適性且具有高活性MOF材料直接應用于電催化領域成為目前亟待解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種過渡金屬摻雜鎳基金屬有機框架三維電極材料及其制備方法，該電極材料在堿性條件下對電解水析氧反應具有較高的催化活性和較好的催化穩定性。

本發明提供如下技術方案：

一種過渡金屬摻雜鎳基金屬有機框架三維電極材料的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

(1)將石墨片通過電化學剝離法制備得到三維導電石墨基底；

(2)將步驟(1)中所獲得的三維導電石墨基底放置在二價鎳鹽、摻雜過渡金屬鹽和對苯二甲酸混合溶液中，進行一步水熱反應從而在三維導電石墨基底上原位生長負載過渡金屬摻雜鎳基金屬有機框架納米片陣列，得到過渡金屬摻雜鎳基金屬有機框架三維電極材料。