基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂、制备方法及应用，该催化剂由四唑类铁配合物通过配位限域热解转化为多吡啶氮类的富氮铁单原子电催化剂，为十二面体多孔复合材料；该催化剂制备的方法步骤如下：S1：Fe(2

【技术实现步骤摘要】
基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及催化剂
，尤其涉及基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]随着社会的快速发展，化石燃料(天然气、石油、煤)被大量消耗，资源枯竭日益严重，人类对清洁能源的需求不断增加。为了保护生态环境，降低人类对化石燃料的使用程度，寻找及开发更多可持续和可再生的能源收集、转化和存储技术是科研人员的研究重点。目前，人类在风能、太阳能、水电能、潮汐能等新能源领域已经取得了很大的研究进展。特别是电化学储能技术近几年一直保持着高速增长的势头，被认为是一种环境友好的、可持续的绿色能源，能很好地作为能源转化和储存的媒介，进而引起了人们大量的关注。在这种背景下，设计及开发高能量密度、价格低廉、可持续的绿色电化学储能设备成为了目前的一个研究热点。
[0003]传统的多相催化剂通常含有较大尺寸分布的金属颗粒。然而，只有一部分大小合适的颗粒可以作为催化物质，而其他颗粒可能是惰性的或引发不希望的反应，导致金属利用效率低，从而使金属消耗高，质量活性低。因此单原子催化剂的发展可以使金属资源得到充分利用，提高原子利用效率。

技术实现思路

[0004]基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂、制备方法及应用，制备的催化剂具有多孔、颗粒小、氮含量丰富、活性位点多等优点，从而提高了电催化剂的催化性能。
[0005]本专利技术提出的基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂，由四唑类铁配合物通过配位限域热解转化为多吡啶氮类的富氮铁单原子电催化剂，该催化剂为十二面体多孔复合材料。
[0006]本专利技术提出的上述基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂的制备方法，方法步骤如下：
[0007]S1：Fe(2
‑
PTZ)2(H2O)2前驱体的制备；
[0008]S2：将S1的Fe(2
‑
PTZ)2(H2O)2前驱体溶于无水甲醇，并加入六水合硝酸锌搅拌溶解，记为溶液A；
[0009]S3：将2
‑
甲基咪唑溶解于无水甲醇溶液，记为溶液B；
[0010]S4：将S3中的溶液B加入S2中的溶液A中，进行反应；
[0011]S5：对S4中反应后的产物进行离心、烘干、煅烧碳化，得基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂。
[0012]优选地，所述Fe(2
‑
PTZ)2(H2O)2前驱体制备的方法步骤如下：
[0013]S11：将5
‑
(2
‑
吡啶基)
‑
1H
‑
四唑溶于无水甲醇，并加入过量2，6
‑
二甲基吡啶；
[0014]S12：七水合硫酸亚铁水溶液加入S11的混合液中进行反应，反应后经洗涤、干燥后，得Fe(2
‑
PTZ)2(H2O)2前驱体。
[0015]优选地，所述5
‑
(2
‑
吡啶基)
‑
1H
‑
四唑与七水合硫酸亚铁的质量比为1:1.8
‑
2.2。
[0016]优选地，所述S12中反应条件为：搅拌20
‑
40min，然后静置4
‑
6h。
[0017]优选地，所述Fe(2
‑
PTZ)2(H2O)2前驱体、六水合硝酸锌、2
‑
甲基咪唑的质量比为1:8
‑
80:1
‑
100。
[0018]优选地，所述S4中反应的条件为：温度110
‑
130℃、时间3
‑
5h。
[0019]优选地，所述S5中离心的条件为：转速6000
‑
10000r/min、时间3
‑
5min，烘干的条件为：温度45
‑
55℃、时间4
‑
12h。
[0020]优选地，所述S5中煅烧的条件为：温度900
‑
950℃、时间1.5
‑
2.5h、升温速率3
‑
5℃/min。
[0021]本专利技术提出的上述基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂作为氧还原反应催化剂在锌空电池中的应用。
[0022]作用机理：
[0023]本专利技术采用一种MOF封装的铁(II)复合物策略，通过配位约束效应加热热解将铁(II)复合物转化为具有高氮含量和多孔的铁单原子催化剂，从而具有很好的电催化性能。
[0024]本专利技术的有益技术效果：
[0025](1)本专利技术通过高能量和氮含量配体5
‑
(2
‑
吡啶)
‑
1H
‑
四唑配体生产[Fe(2
‑
PTZ)2(H2O)2]前驱体，同时提供平面FeN
x
中心，又提供富氮源。然后，在ZIF
‑
8的生长过程中，将[Fe(2
‑
PTZ)2(H2O)2]前驱体封装到纳米笼中，热解后得到含多吡啶氮和Fe单原子的十二面体多孔复合材料，而高能的配体在热解过程中瞬间放热能有效的产生多孔道结构，热解前后整体形貌维持良好。
[0026](2)本专利技术制备的十二面体多孔复合材料可作为氧还原反应催化剂应用于锌空电池，且在碱性条件下(0.1M的KOH)具有优异的电化学性能。
[0027](3)当制备的催化剂时，可通过调节前驱体的添加比例调控孔结构以及比表面积的大小。
附图说明
[0028]图1为本专利技术提出的SEM图；(a)：FeN
x
‑
NC
‑
5煅烧前，(b)：FeN
x
‑
NC
‑
5煅烧后(c)：FeN
x
‑
NC
‑
3煅烧前，(d)：FeN
x
‑
NC
‑
3煅烧后。
[0029]图2中的(a
‑
b)为FeN
x
‑
NC
‑
3的TEM图，(c)为FeN
x
‑
NC
‑
3的HRTEM图，(d)为FeN
x
‑
NC
‑
3的区域电子衍射SAED图。
[0030]图3为FeN
x
‑
NC
‑
3中的不同种类氮含量分布图。
[0031]图4中(a)为FeN
x
‑
NC
‑
3的EXAFS R图；(b)为FeN
x
‑
NC
‑
3的EXAFS R拟合曲线。
[0032]图5为在0.1摩尔/升氢氧化钾溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂，其特征在于，由四唑类铁配合物通过配位限域热解转化为多吡啶氮类的富氮铁单原子电催化剂，该催化剂为十二面体多孔复合材料。2.如权利要求1所述的基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂的制备方法，其特征在于，方法步骤如下：S1：Fe(2
‑
PTZ)2(H2O)2前驱体的制备；S2：将S1的Fe(2
‑
PTZ)2(H2O)2前驱体溶于无水甲醇，并加入六水合硝酸锌搅拌溶解，记为溶液A；S3：将2
‑
甲基咪唑溶解于无水甲醇溶液，记为溶液B；S4：将S3中的溶液B加入S2中的溶液A中，进行反应；S5：对S4中反应后的产物进行离心、烘干、煅烧碳化，得基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂。3.根据权利要求2所述的基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂的制备方法，其特征在于，所述Fe(2
‑
PTZ)2(H2O)2前驱体制备的方法步骤如下：S11：将5
‑
(2
‑
吡啶基)
‑
1H
‑
四唑溶于无水甲醇，并加入过量2，6
‑
二甲基吡啶；S12：七水合硫酸亚铁水溶液加入S11的混合液中进行反应，反应后经洗涤、干燥后，得Fe(2
‑
PTZ)2(H2O)2前驱体。4.根据权利要求3所述的基于MOF衍生的富氮单原子电催化剂的制备方法，其特征在于，所述5
‑
(2
‑
吡啶基)
‑
1H
‑
四唑与...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐巧玲，胡劲松，张雷，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：