[發明專利]一種基于ZIF-67的鑭摻雜氧化鈷催化劑及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202110477880.1
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113235104B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 胡建強;趙子昱;劉雅雯;梁乾偉
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C25B1/02
• 分類號: C25B1/02;C25B11/091
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

本發明公開了一種基于ZIF?67的鑭摻雜氧化鈷催化劑及其制備方法與應用，屬于能源納米材料技術領域。該方法包括：將鈷源、鑭源溶于甲醇中，加入有機配體溶液，攪拌反應，離心取沉淀，洗滌，烘干后燒制得到鑭摻雜氧化鈷催化劑。本發明以ZIF?67為前驅體，使用熱解法制備出鑭摻雜氧化鈷催化劑，該催化劑是一種納米材料，利用不同的摻雜比例對催化劑的電子結構進行調控，并將得到的鑭摻雜氧化鈷催化劑用于電催化產氫時，其性質優良，穩定性好。用該種材料代替商用貴金屬催化劑，可以降低產氫的成本，有望在商用電解水領域得到應用。

技術領域

本發明屬于能源納米材料技術領域，具體涉及一種基于ZIF-67的鑭摻雜氧化鈷催化劑及其制備方法與應用。

背景技術

全球能源需求的增長，加上化石燃料的枯竭以及一系列環境問題的產生，正促使人們對能源問題進行深入思考。傳統化石能源的廣泛使用造成了無法逆轉的環境污染，并且這類不可再生能源隨著人類的過渡開采與使用逐步消耗殆盡。因此，各類高效環保的清潔能源正在被廣泛探究。

在眾多的清潔能源中，最為典型的一種就是太陽能電池。不過由于區域或季節因素，太陽能通常是不連續且可變的，因此需要一種有效的手段來收集存儲太陽能。而電驅動的水分解產氫和產氫被認為是實現太陽能/電能轉換為化學能最有前景的策略之一，它克服了其區域性和季節性的變化問題，具有較高的實用價值不過，在電解水的過程中，陰極與陽極催化劑的高成本與低效率在很大程度上制約了其發展。因此，開發一種新型高效且廉價的催化劑就變得非常關鍵且具有挑戰性。

應用于電化學水分解的催化劑多種多樣。近年來，金屬有機框架材料(MOFs)及其衍生物在電催化水分解領域引起了廣泛的興趣。MOFs是一種新型多孔材料，其具有高比表面積與高孔隙率，以其為前驅體制備的一系列MOFs衍生物在析氫反應(HER)和產氧反應(OER)反應中有著高效的催化效率。例如例如Ma等設計了一款衍生自MOFs的碳雜化Co₃O₄納米陣列，具有高效的OER活性，這種催化材料在10mA·cm^-2的電流密度下僅有290mV過電勢，且塔菲爾斜率為70mV·dec^-1(Ma T Y,Dai S,Jaroniec M,et al.Metal-OrganicFramework Derived Hybrid Co₃O₄-Carbon Porous Nanowire Arrays as ReversibleOxygen Evolution Electrodes[J].Journal of the American Chemical Society,2014,136(39):13925-13931.)。除此之外，可以通過摻雜新元素提高鈷的氧化物電解水的性能，例如Li等通過兩步溶劑熱法在泡沫鎳表面上開發了與氮摻雜碳結構互連的Co₃O₄納米顆粒，這種催化材料在10mA·cm^-2的電流密度下僅有235mV過電勢(Li H,Tan M,Huang C,etal.Co₂(OH)₃Cl and MOF mediated synthesis of porous Co₃O₄/NC nanosheets forefficient OER catalysis[J].Applied Surface Science,2021,542.)。

然而，純的氧化鈷表面暴露的活性位點較少、催化活性不高、穩定性也比較差，這些都阻礙了其電催化活性的進一步提高。此外，鈷的氧化物主被用于產氧反應，而在析氫反應方面較少被報道，這也限制了其未來的商業應用。

發明內容

為了克服現有技術存在的不足，本發明的目的是提供一種基于ZIF-67的鑭摻雜氧化鈷催化劑及其制備方法與應用。