一种铱掺杂金属有机框架衍生材料及其制备方法与电催化析氧方面的应用技术

本发明专利技术涉及一种铱掺杂金属有机框架衍生材料及其制备方法与电催化析氧方面的应用，所述铱掺杂金属有机框架衍生材料以泡沫镍为金属基底，在泡沫镍表面覆有一层三维多孔材料，所述三维多孔材料由CoNiIr LDH纳米片团聚组成，具有ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种铱掺杂金属有机框架衍生材料及其制备方法与电催化析氧方面的应用


[0001]本专利技术属于通过电解水生产氢或氧
，具体涉及一种铱掺杂金属有机框架衍生材料及其制备方法与电催化析氧方面的应用。

技术介绍

[0002]氢能是一种清洁的可再生能源，其能量密度高、环境友好、污染小、应用范围广，是最理想的可再生能源之一。绿氢主要来源是电解水，相比于传统的裂解法，大大提高了氢气的纯度。电解水的过程存在两个半反应：析氢反应与析氧反应，在实验室研究与实际的工业生产中，电解水的控制因素主要出现在析氧反应(OxygenEvolution Reaction，OER)之中。这是由于析氧反应为四电子转移过程，有比较大的过电位，进而会影响整个电解水的反应进程。因此析氧反应(OER)需要高效的催化剂，以改善反应动力学缓慢的问题。
[0003]常见的析氧反应催化剂主要是贵金属基催化剂，如采用Ir和Ru基等过渡金属，其在酸性和碱性介质中均具有良好的析氧反应催化活性，如RuO2催化剂在实验室常被用作评价OER体系的基准催化剂。然而贵金属因产量低、分离困难，导致贵金属基催化剂应用成本较高，不适宜广泛推广应用。另一方面，非贵金属OER电催化剂如以铁、钴、镍等元素的化合物合成的催化材料存在活性和稳定性不佳的问题。因而研究出性能良好且经济的OER催化剂，对提升电解水的OER反应速率十分必要。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种铱掺杂金属有机框架衍生材料及其制备方法与电催化析氧方面的应用，该铱掺杂金属有机框架衍生材料具有低过电位及高效的催化析氧性能，并且长期稳定性好。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：
[0006]提供一种铱掺杂金属有机框架衍生材料，所述铱掺杂金属有机框架衍生材料以泡沫镍为金属基底，在泡沫镍表面覆有一层三维多孔材料，所述三维多孔材料由CoNiIr LDH纳米片团聚组成，具有ZIF
‑
67衍生结构。LDH指过渡金属层状氢氧化物。
[0007]按上述方案，所述三维多孔材料厚度为30～50μm。
[0008]按上述方案，所述CoNiIr LDH纳米片厚度为5～10nm。
[0009]本专利技术还包括上述铱掺杂金属有机框架衍生材料的制备方法，具体步骤如下：
[0010]1)将泡沫镍用盐酸溶液浸泡处理(目的是除去附着在上面的氧化物等)，然后分别用水、乙醇洗涤，再烘干待用；
[0011]2)将六水合硝酸钴(Co(NO3)2·
6H2O)溶于去离子水中，得到含钴溶液，将2
‑ꢀ
甲基咪唑溶于去离子水中得到2
‑
甲基咪唑溶液，然后将步骤1)处理后的泡沫镍浸泡于所述含钴溶液中，充分浸泡后将2
‑
甲基咪唑溶液滴加到泡沫镍表面，静置反应，反应结束后取出泡沫镍，用蒸馏水冲洗后烘干得到ZIF
‑
67@NF；
[0012]3)将硝酸镍(Ni(NO3)2·
6H2O)、氯化铱(IrCl3·
H2O)与尿素(尿素的作用是提供弱碱环境，使上述ZIF
‑
67逐渐被刻蚀破坏，溶出的钴离子可与镍和铱离子共沉淀生成LDH)溶于去离子水中得到混合溶液，将步骤2)所得ZIF
‑
67@NF浸泡于所述混合溶液中进行刻蚀，刻蚀结束后取出泡沫镍，依次用蒸馏水与酒精冲洗，最后烘干得到铱掺杂金属有机框架衍生材料(CoNiIr ZLDH@NF)。
[0013]按上述方案，步骤1)所述盐酸溶液浓度为1～3mol/L，浸泡处理时间为 10～60min。
[0014]按上述方案，步骤2)所述含钴溶液中硝酸钴浓度为0.05～0.20mol/L，六水合硝酸钴与2
‑
甲基咪唑摩尔比为1：6～10。2
‑
甲基咪唑与钴离子螯合，最终形成 ZIF
‑
67。
[0015]按上述方案，步骤2)静置反应条件为：15～35℃下反应2～6h。
[0016]按上述方案，步骤3)所述混合溶液中硝酸镍浓度为0.01～0.03mol/L，氯化铱浓度为0.001～0.01mol/L，尿素浓度为0.1～0.3mol/L。
[0017]按上述方案，步骤3)刻蚀条件为：15～35℃下反应2～6h。
[0018]本专利技术还包括上述铱掺杂金属有机框架衍生材料作为催化剂在电催化析氧方面的应用。
[0019]本专利技术首先在泡沫镍表面制备得到ZIF
‑
67，ZIF
‑
67为具有方钠石空间结构的材料，比表面积较高，将所得材料置于硝酸镍、氯化铱和尿素的混合溶液中浸泡，由于尿素提供弱碱环境，使上述ZIF
‑
67逐渐被刻蚀破坏，溶出的钴离子与镍离子和铱离子共沉淀生成LDH，以ZIF
‑
67作为模板，由外而内的边刻蚀边沉淀，ZIF
‑
67 结构转化为片状CoNiIr
‑
ZLDH(ZLDH为通过刻蚀MOF得到的LDH)，为ZIF
‑
67衍生结构。CoNiIr
‑
ZLDH表现出更大的比表面积，这一优势使催化过程有更多的活性位点暴露并有利于电子的转移与OH
‑
的吸附和脱附。此外，其表面包覆的两种过渡金属(Co、Ni)被广泛认为是OER反应的主要活性位点，贵金属Ir能够调控LDH 中的过渡金属的电子结构，有效改善了金属活性位点OER过程中活性中间体的吸附能，优化反应路径能垒，提高催化活性位点的固有活性，使电催化材料具有优异的析氧活性和长期稳定性。
[0020]本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术以具有较高比表面积的ZIF为中间体，Ir 掺杂调节，通过相对简单的室温反应(生长ZIF
‑
67以及后续刻蚀ZIF
‑
67)，合成了以泡沫镍NF为基底的CoNiIr
‑
ZLDH电催化材料，该材料比表面积大、活性位点暴露多，在碱性条件下表现出良好的析氧反应性能和催化稳定性能。2、本专利技术通过微量掺杂贵金属策略以及MOF作为前驱体进一步增加LDHs活性位点密度，为提高LDH电催化性能提供了新的思路，该制备方法反应条件温和，步骤简单，成本低廉，易于工业化生产实施。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1所制备的Ir
‑
CoNi ZLDH@NF在500nm刻度尺下的场发射扫描电子显微镜图；
[0022]图2为实施例1所制备的Ir
‑
CoNi ZLDH@NF在100nm刻度尺下的透射电子显微镜图；
[0023]图3为实施例1所制备的Ir
‑
CoNi ZLDH@NF样品的电子能谱图；
[0024]图4为实施例1所制备的Ir
‑
CoNi ZLDH@NF与CoNi ZLDH的XRD图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铱掺杂金属有机框架衍生材料，其特征在于，所述铱掺杂金属有机框架衍生材料以泡沫镍为金属基底，在泡沫镍表面覆有一层三维多孔材料，所述三维多孔材料由CoNi Ir LDH纳米片团聚组成，具有ZIF
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67衍生结构。2.根据权利要求1所述的铱掺杂金属有机框架衍生材料，其特征在于，所述三维多孔材料厚度为30～50μm。3.根据权利要求1所述的铱掺杂金属有机框架衍生材料，其特征在于，所述CoNiIr LDH纳米片厚度为5～10nm。4.一种权利要求1
‑
3任一项所述的铱掺杂金属有机框架衍生材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：1)将泡沫镍用盐酸溶液浸泡处理，然后分别用水、乙醇洗涤，再烘干待用；2)将六水合硝酸钴溶于去离子水中，得到含钴溶液，将2
‑
甲基咪唑溶于去离子水中得到2
‑
甲基咪唑溶液，然后将步骤1)处理后的泡沫镍浸泡于所述含钴溶液中，充分浸泡后将2
‑
甲基咪唑溶液滴加到泡沫镍表面，静置反应，反应结束后取出泡沫镍，用蒸馏水冲洗后烘干得到ZIF
‑
67@NF；3)将硝酸镍、氯化铱与尿素溶于去离子水中得到混合溶液，将步骤2)所得ZIF

【专利技术属性】
技术研发人员：胡六永，肖润石，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：