一种Co原子掺杂多面体MOFs材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种Co原子掺杂多面体MOFs材料及其制备方法和应用。一种Co原子掺杂多面体MOFs材料的制备方法，包括以下步骤：向甲醇溶液中加入二甲基咪唑、锌盐和钴盐进行前驱体合成反应，反应产物经过分离、干燥后得到前驱体粉末；将双氰胺进行焙烧处理制备g

【技术实现步骤摘要】
一种Co原子掺杂多面体MOFs材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锌空电池材料
，具体涉及一种Co原子掺杂多面体MOFs材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]环境污染、能源匮乏使得开发新能源越来越迫在眉睫，加之电动汽车和电网的巨大用电需求，这些因素都极大的推动了包括锌空气电池在内的具有高能量密度、低碳环保和地球储量丰富特点的储能设备的迅猛发展。锌空气电池由于具有高的理论功率密度、地球Zn储量丰富和使用安全等特点，在今后的社会发展中非常有希望成为储能设备中的翘楚。但目前看来锌空气电池仍然面临着不少的问题：（1）锌空气电池正极由于动力学反应速率缓慢导致了锌空气电池实际的能量密度低下；（2） 锌空气电池在充放电过程中负极锌不均匀的溶解和沉积导致锌枝晶的生长；（3）锌空气电池的电解液会与空气中的CO2发生反应而导致电池性能的降低。这些方面的问题都是学者研发高氧还原（ORR）催化活性正极催化剂材料时所需要考虑的。能否解决这些问题对提高锌空气电池整体性能方面至关重要。
[0003]以贵金属铂为基础的铂碳（Pt/C）催化剂被认为是具有最高的氧还原（ORR）活性的电催化剂，但其昂贵的价格限制了其大量生产和商业化使用。有机金属骨架（MOFs）是由有机配体和金属离子经过配位键进行连接的具有孔道的有机
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无机杂化材料，其优点：高的比表面积、良好的导电性、良好的形态和大量的氮配体，随着科技的发展而越来越受到人们重视。此外，氮元素掺杂的碳材料，例如氮杂石墨烯、氮杂碳纳米管等在碱性条件下具有较好的电催化氧还原（ORR）活性。
[0004]目前，对于锌空电池电催化材料的研究已有很多，如中国专利CN202010841907.6公开了一种用于锌空电池的Cu掺杂中空六边形ZIF
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8材料的制备方法，包括下列步骤：以二甲基咪唑和六水合硝酸锌为原料合成ZIF
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8材料；用单宁酸将ZIF
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8变成中空的ZIF
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8材料；再将中空ZIF
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8放入硝酸铜溶液制得CuHZ
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8前驱体，用双氰胺在马弗炉里550℃煅烧得到g
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C3N4，将CuHZ
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8与g
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C3N4均匀混合放入管式炉中煅烧，最后用硫酸洗涤得到Cu负载的中空六边形ZIF
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8材料。中国专利CN201910398385.4公开了一种铁/铜氮杂石墨烯锌空气电池阴极催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将羟基氧化铁、氢氧化铜与氧化石墨烯和石墨相氮化碳(g
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C3N4)混合，加入海藻酸钠制得凝胶；(2)将上述凝胶放入一端封闭的石英管中，用离心泵抽真空后，将石英管放入750
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950℃的马弗炉中煅烧10
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20min，再室温冷却；(3)将上步骤得到的黑色固体在盐酸中浸渍8
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12h并保持在50
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80℃，然后用去离子水和乙醇洗涤至中性后干燥，将干燥后的黑色粉末置于一端封闭的石英管中，抽真空后在750
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850℃下煅烧10
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20min，冷却后得到铁/铜氮杂石墨烯。
[0005]虽然已经有了多种锌空电池电催化材料的制备方法，但很少有制备Co原子负载的MOFs材料，而且MOFs的ORR活性不高很难被应用于锌空电池。此外，现有技术制备得到的高活性的MOFs材料比较简单，而负载单原子Co的MOFs材料还未见报道。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足之处，提供一种Co原子掺杂多面体MOFs材料及其制备方法和应用。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种Co原子掺杂多面体MOFs材料的制备方法，包括以下步骤：向甲醇溶液中加入二甲基咪唑、锌盐和钴盐进行前驱体合成反应，反应产物经过分离、干燥后得到前驱体粉末；将双氰胺进行焙烧处理制备g
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C3N4粉末；将所述前驱体粉末和所述g
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C3N4粉末进行研磨并混合均匀得到混合粉末，将所述混合粉末置于惰性气氛中进行煅烧处理；将所述煅烧处理后得到的产物用硫酸进行酸洗，固液分离后干燥，即得到所述Co原子掺杂多面体MOFs材料。
[0008]优选地，所述前驱体合成反应中，所述锌盐和所述钴盐中锌和钴的摩尔比为（0~4）:1。
[0009]优选地，所述前驱体合成反应的反应温度为20~30 ℃，反应时间为22~25 h。
[0010]优选地，所述焙烧处理的焙烧温度为520~560 ℃，焙烧时间为2~4 h。
[0011]优选地，所述焙烧处理的升温速率为2~5 ℃/min。
[0012]优选地，所述煅烧处理的煅烧温度为850~950 ℃，煅烧时间为2~4 h。
[0013]优选地，所述煅烧处理的升温速率为2~5 ℃/min。
[0014]优选地，所述硫酸的浓度为0.5~1 mol/L。
[0015]本专利技术还提供按上述的一种Co原子掺杂多面体MOFs材料的制备方法制备得到的Co原子掺杂多面体MOFs材料，所述Co原子掺杂多面体MOFs材料的氮含量为2.86~8.34%，比表面积为192~911 m2/g。
[0016]本专利技术还提供一种Co原子掺杂多面体MOFs材料在锌空电池催化材料上的应用。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术的一种Co原子掺杂多面体MOFs材料的制备方法中，在前驱体合成反应中，以钴盐为掺杂Co源，可以把Co大量负载到MOFs材料上形成Co
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N
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C，且不会形成Co单质，有利于形成Co单原子，且锌盐可以很好的隔离Co原子防止其团聚，使得Co原子在MOFs材料上形成Co单原子，提高其催化活性；双氰胺具有低毒、储量丰富的特点，用双氰胺来制备g
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C3N4具有成本低、操作简单、对生产设备要求较低的优点。本专利技术的一种Co原子掺杂多面体MOFs材料的制备方法简单，易于操作。
[0018]本专利技术制备的Co原子掺杂多面体MOFs材料通过在含钴前驱体中掺杂g
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C3N4，从而提升制备的MOFs材料中吡啶氮的含量，进而提升制备的MOFs材料的ORR活性。本专利技术制备的的Co原子掺杂多面体MOFs材料氮含量较高，达到2.86~8.34%，且比表面积达到192~911 m2/g，能够用于锌空电池电催化材料，且其比商业化40％Pt/C催化剂具有更优异的电催化活性。
[0019]本专利技术的附加优点、目的以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本专利技术的实践而获知。
[0020]本领域技术人员将会理解的是，能够用本专利技术实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本专利技术能够实现的上述和其他本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Co原子掺杂多面体MOFs材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：向甲醇溶液中加入二甲基咪唑、锌盐和钴盐进行前驱体合成反应，反应产物经过分离、干燥后得到前驱体粉末；将双氰胺进行焙烧处理制备g
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C3N4粉末；将所述前驱体粉末和所述g
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C3N4粉末进行研磨并混合均匀得到混合粉末，将所述混合粉末置于惰性气氛中进行煅烧处理；将所述煅烧处理后得到的产物用硫酸进行酸洗，固液分离后干燥，即得到所述Co原子掺杂多面体MOFs材料。2.根据权利要求1所述的一种Co原子掺杂多面体MOFs材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体合成反应中，所述锌盐和所述钴盐中锌和钴的摩尔比为（0~4）:1。3. 根据权利要求1所述的一种Co原子掺杂多面体MOFs材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体合成反应的反应温度为20~30 ℃，反应时间为22~25 h。4. 根据权利要求1所述的一种Co原子掺杂多面体MOFs材料的制备方法，其特征在于，所述焙烧处理的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高云芳，吴佳豪，武海华，徐新，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：