[发明专利]一种不同价态钴-碳系列纳米复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种不同价态钴‑碳系列纳米复合材料的制备方法，属于复合材料制备技术领域。本发明采用同一种沸石咪唑类金属有机骨架为前驱体原料，同时提供了有效的钴源、碳源，采取一步或两步反应可得到不同价态钴‑碳系列纳米复合材料，只需一种前驱体和简单加工工艺，即可实现各种不同价态钴和碳的纳米级复合，即钴‑碳纳米复合或钴氧化物‑碳纳米级复合材料，该类材料催化性能好，可用于电催化领域，多种价态钴‑碳纳米复合材料可实现改善电解水制氢或燃料电池电极催化效率，而且其应用需求日益广泛。本发明原料易得，制备工艺简单，不需要表面活性剂、沉淀剂等，生产成本低，易于大规模生产。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种不同价态钴-碳系列纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的向前发展和世界人口的不断增长，人类对化石燃料，如煤和石油等的耗用给现有的能源储备和自然环境带来了前所未有的压力和挑战。利用太阳能、风能一类的清洁能源可有效减少对化石燃料的依赖。但由于这些清洁能源的间歇性，高效率的能源载体和能源转换对于这类清洁能源的大规模应用成为必需的和至关重要的条件。氢是一种理想的能源载体，因为它具有高效、低成本、可持续和环境友好的特点，已经得到广泛的应用。燃料电池是理想的能源转换器件，也已经得到广泛的研究和部分的应用。光解水，特别是电解水成为实现工业化廉价制备氢气的重要手段和最有效方法之一，然而缓慢的析氧反应(OER)动力学过程极大的限制了水分解的效率，增加了能量的消耗。而燃料电池的缓慢的阴极氧还原反应(ORR)动力学过程也极大的限制了电能转换效率。

目前商用的析氧催化剂主要为IrO₂和RuO₂等贵金属，商用燃料电池催化剂为贵金属Pt，它们高昂的价格和稀有的储量制约了新能源储存和转换的发展，因此，寻找价格低廉和储量丰富的非贵金属催化剂成为近年来研究的热点。

纳米复合粒子催化性能好，特别是在电催化领域，被广泛用于改善水解或燃料电池电催化效率。随着合成技术的发展，人们发现过渡金属与碳的复合物成为电解水反应催化剂的有前途的候选材料，特别是钴-碳复合材料，既发挥了钴基本身良好的电催化活性，又用不同石墨化程度的碳将金属包裹住，进一步提高了复合界面的催化活性，增强了催化剂的稳定性。作为多功能钴-碳催化剂，如何简单有效的得到不同价态钴-碳复合材料是该类催化剂得到大规模应用的前提。而沸石咪唑类金属有机框架(MOFs)基新型复合碳材料导电性良好又可以保证活性位点的均匀分散，且此类材料制备工艺简单，成本低廉，MOFs的处理条件稍作改变，便可得到不同价态钴-碳系列纳米复合材料。本发明原料易得，制备工艺过程简单，不需要表面活性剂、沉淀剂等，生产成本低，因此这项工作对于开发廉价金属/碳纳米复合材料用作析氧催化(OER)和氧还原催化(ORR)的新型电催化材料，并实现规模化实际应用具有深远的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效可行、低成本的不同价态钴-碳系列纳米复合材料的制备方法，该方法可实现同种原料同时向多种钴-碳纳米复合材料转变，即以较小的成本和简单的方式实现钴碳纳米复合材料产品多元化的目的。

本发明采取的具体技术方案为：

1)合成原料包括硝酸钴(或硫酸钴、或醋酸钴、或氯化钴)、二甲基咪唑(或乙丁基三甲基咪唑)、硼氢化钠(或硒氢化钠)。

2)将钴盐与咪唑类有机配体按比例(摩尔比1：1-1：5)在乙醇水溶液中(v：v＝1：1-1：4)混合均匀；将混合溶液常温搅拌30分钟,室温静置10-24h，生成的产物为沸石咪唑类金属有机框架材料，经洗涤、过滤和干燥后作为不同价态钴-碳系列纳米复合材料统一的前驱体原料。