[發明專利]一種N、S摻雜多孔碳負載Co復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210511679.5
• 申請日: 2022-05-11
• 公開（公告）號: CN115058731A
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 桑欣欣;趙亞星;柴瑞瑞;宋俊玲
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B1/04
• 代理公司: 無錫承果知識產權代理有限公司 32373
• 代理人: 肖昂

本發明提供一種N、S摻雜多孔碳負載Co復合材料及其制備方法和應用，具體為氮(N)、硫(S)摻雜多孔碳負載Co納米復合材料，是一種電化學催化劑。該電化學催化劑的制備方法為：首先在無水乙醇中合成ZIF?67，然后在ZIF?67表面原位聚合生長由三聚氰胺、三聚硫氰酸與乙醛酸合成的三聚氰胺樹脂(MUF)，得到ZIF?67/MUF前驅體，經煅燒，得到C?ZIF?67/MUF納米復合材料。本發明所述的納米復合材料具備良好的析氧催化活性與穩定性。本發明制備方法具有制備過程簡單易行、原料廉價易得、容易操作等優點。

技術領域

本發明屬于材料、能源領域，具體涉及一種N、S摻雜多孔碳負載Co復合材料及其制備方法和應用，尤其是一種聚合物基N、S摻雜多孔碳負載Co復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

氫能由于高熱值和無污染性，是一種最具發展潛力的新型能源之一，催化電解水對于制氫具有重要的研究意義。然而催化水電解的兩個半反應，析氫反應(HER)和析氧反應(OER)，存在反應動力學緩慢、過電勢高的問題，通常需要催化劑降低反應的活化能.最有效的電解水催化劑是Pt基和Ir基材料，但其價格昂貴、資源緊缺，因此，設計發展來源廣泛、價格低廉、綠色環保的非貴金屬電解水催化劑具有重要意義。雜原子摻雜多孔碳材料具有比表面積大，組成和性能可調控，穩定性高等優點，在催化電解水領域具有良好的應用前景。

金屬-有機框架(MOFs)是一種比表面積高并且孔徑可調的新型納米多孔材料。其中， ZIF-67是由Co²⁺和2-甲基咪唑配位形成的MOFs材料，具有豐富的氮原子、較高的比表面積、優異的化學穩定性和熱穩定性等優點，由ZIF-67碳化制備的N摻雜多孔碳負載Co納米粒子被廣泛應用于電催化分解水領域。然而，基于ZIF-67的碳化制備的電解水催化劑仍然存在成本高、N摻雜量低、穩定性差等問題，電催化活性有限。

一般常用的雜原子摻雜碳材料的方法主要有兩種：后處理摻雜和原位摻雜。后處理摻雜是指用含有雜原子的物質對碳材料進行后處理，在高溫高壓下，雜原子通過化學反應從原來的物質中脫離出來進而進入碳材料的表面或者內部，但一般雜原子摻雜量較低。原位摻雜是指合成碳材料過程中摻雜雜原子，將含有雜原子的前驅體進行碳化，使雜原子摻雜在碳骨架中。與后處理摻雜相比，原位摻雜的雜原子摻雜量較高，同時可以使雜原子均勻的摻雜在碳材料中。

因此，通過在ZIF-67原位生長聚合三聚氰胺樹脂(MUF)，引入氮(N)、硫(S)雜原子，使碳周圍的電子云重新排列，增加材料的活性位點，提高其導電性，同時通過碳化移除易揮發部分，提高其催化活性。

發明內容

技術問題：本發明的目的在于針對上述存在的缺陷而提供一種氮(N)、硫(S)摻雜多孔碳負載 Co納米復合材料的制備方法和應用，改善了傳統MOFs催化劑制備成本高、結構不穩定以及活性位點少的問題，具體是一種高效鈷基電化學催化劑及其制備方法和應用。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

本發明的第一個目的是，提供一種N、S摻雜多孔碳負載Co復合材料，所述N、S摻雜多孔碳負載Co復合材料為包含鈷Co、N、S摻雜的多孔碳材料C-ZIF-67/MUF，其中，所述ZIF-67為Co和2-甲基咪唑形成金屬有機框架材料，在所述ZIF-67表面原位聚合生長有所述三聚氰胺樹脂MUF。

本發明意在合成一種聚合物基MOFs衍生多孔碳電催化劑，具體是一種高效MOFs衍生鈷摻雜氮、硫多孔碳電化學催化劑，該催化劑為C-ZIF-67/MUF納米復合材料，是包含鈷(Co)、氮(N)、硫(S)摻雜的多孔碳材料。

進一步的，所述ZIF-67與三聚氰胺樹脂MUF的質量比為(1～4):(10～50)。

進一步的，所述的三聚氰胺樹脂MUF由氰胺類齊聚物與乙醛酸合成，所述氰胺類聚合物為三聚氰胺和/或三聚硫氰酸。