[發(fā)明專利]一種基于MOF制備的FePt@C復(fù)合納米材料及其應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011439861.1
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN112397736B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 湯儆;李茜;蔡嬌鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/86;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 修斯文;蔡學(xué)俊

本發(fā)明公開了一種基于MOF制備的FePt@C復(fù)合納米材料及其在制備電催化燃料電池方面的應(yīng)用。所述復(fù)合納米材料是以三維MIL?101(Fe)作為載體，通過加熱回流將氯鉑酸還原為Pt納米粒子并包封到制備好的MIL?101(Fe)空腔內(nèi)，再經(jīng)高溫?zé)峤庵频盟鯢ePt@C復(fù)合材料。本發(fā)明將Pt與Fe形成合金納米粒子，二者之間的協(xié)同作用可以促進(jìn)電子結(jié)構(gòu)的改變，增強(qiáng)FePt對HCOOH的親和力，并可在很低的電勢下形成表面氧化物，其甲酸氧化性能明顯高于商業(yè)Pt/C，且本發(fā)明制備方法簡單，有效解決了MOF的導(dǎo)電性差、Pt基催化劑成本高的問題，為其他MOF衍生的金屬碳材料的制備及電催化應(yīng)用提供了新方向。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電催化燃料電池制備領(lǐng)域，具體涉及一種基于MOF制備的FePt@C復(fù)合納米材料及其制備方法和在電催化甲酸氧化方面的應(yīng)用。

背景技術(shù)

近幾年來，能源與發(fā)展問題已成為各國關(guān)注的重點。由于我國能源消費結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，化石燃料的大量使用已經(jīng)引起了一系列的環(huán)境問題。為響應(yīng)綠色發(fā)展的理念，迫切需要開發(fā)可再生、安全、清潔、高效和可持續(xù)的能源以及相關(guān)的儲能技術(shù)。環(huán)保高效的電化學(xué)氧化還原技術(shù)備受關(guān)注，其中直接甲酸或甲醇燃料電池轉(zhuǎn)換效率高、安全性能好、零污染，有很大的發(fā)展?jié)摿Γ磻?yīng)效率低。因此，研發(fā)出高效、低廉的電催化劑來降低電化學(xué)反應(yīng)的能壘，加快反應(yīng)速率，有效解決能源短缺與環(huán)境污染，是一個有意義的課題。

Pt基催化劑對電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)有較好的催化活性，但是對于直接甲酸燃料電池（DFAFC）來說，Pt催化劑傾向于脫水途徑，產(chǎn)生的一氧化碳（CO_ad）會將Pt毒化，阻礙進(jìn)一步的氧化。從節(jié)約成本和提高甲酸催化氧化性能方面來看，迫切需要找到一種可以減少Pt基催化劑中毒的方法。目前發(fā)現(xiàn)一種可以減少Pt中毒的策略，是將Pt與第二種金屬M（M =Fe，Cu，Co，Ni，Bi等）結(jié)合，形成的PtM合金納米粒子中M具有親氧性質(zhì)，可以調(diào)節(jié)Pt中的電子和幾何結(jié)構(gòu)。不幸的是，這些小的金屬納米粒子（MNPs）表面能量高，熱動力不穩(wěn)定，很容易聚集，從而會降低其催化活性，因而需要找到一種有效的方法來穩(wěn)定MNPs。

在眾多材料中，金屬-有機(jī)框架材料（MOF）是一種高度多孔的物質(zhì)，具有可調(diào)的孔隙率和高表面積，可以用作孔內(nèi)尺寸受控的MNPs的載體，進(jìn)而形成MOF-MNPs，阻止MNPs的團(tuán)聚，因此有利于其在催化方面等應(yīng)用。但是MOF的導(dǎo)電性較弱，很少被用于電催化中。因此，構(gòu)建一種以MOF為載體并具備優(yōu)良導(dǎo)電能力的PtM雙金屬納米粒子催化劑，在推動DFAFC的發(fā)展上有很重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述材料的局限性，滿足電催化甲酸燃料電池技術(shù)的發(fā)展需要，本發(fā)明提供了一種催化效率高、成本低廉、合成方法簡便的FePt@C復(fù)合納米材料及其制備方法與其在電催化甲酸氧化中的應(yīng)用。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于MOF制備的FePt@C復(fù)合納米材料，其是以正八面體結(jié)構(gòu)的三維MIL-101(Fe)作為載體，將還原的Pt納米粒子包封在MIL-101(Fe)空腔內(nèi)，形成大小為600 nm的Pt@MIL-101(Fe)，再將其經(jīng)高溫?zé)峤庑纬伤鯢ePt@C復(fù)合納米材料。所得FePt@C復(fù)合納米材料為片狀結(jié)構(gòu)，其中FePt合金納米粒子的尺寸為16±2 nm。

所述FePt@C復(fù)合納米材料的制備方法包括以下步驟：

（1）以六水合三氯化鐵作為鐵源，對苯二甲酸作為配體，將兩者按摩爾比2:1加入到N,N-二甲基甲酰胺中，超聲使其溶解后，于110℃溶劑熱反應(yīng)20小時，并經(jīng)干燥制得MIL-101(Fe)；

（2）將0.3 g步驟（1）制得的MIL-101(Fe)與0.0498 g PVP以及135 mL無水乙醇混合，在攪拌條件下逐滴加入7.0 mL、0.016 g/L的氯鉑酸溶液，繼續(xù)攪拌30 min后，在持續(xù)攪拌條件下于100℃加熱回流3小時，合成含有Pt納米粒子的Pt@MIL-101(Fe)復(fù)合材料；