[发明专利]一种纳米片层结构非贵金属电催化剂及其制备和应用

权利要求书

1.一种纳米片层结构非贵金属电催化剂的制备方法，其特征在于：纳米片层结构非贵金属电催化剂包括金属有机框架结构纳米片层结构与石墨烯片层结构两部分的复合片层，以及由片层结构堆叠构成的二级多孔结构；

所述金属有机框架结构的节点构成金属离子为镍离子、铁离子、锆离子、锌离子、锰离子中的一种或二种以上；

所述金属有机框架结构的框架构成配体为含氮杂环分子和/或芳香羧酸分子；

制备步骤如下， 1）氧化石墨胶体溶液的配制；

2）于步骤1）所得氧化石墨胶体溶液中加入过渡金属盐和有机配体分子，得混合溶液；所述过渡金属盐与有机配体分子的物质的量相同；

3）于步骤2）所得混合溶液中，在惰性气氛下加入过渡金属盐2至10倍物质的量的三乙胺，密封条件超声波反应；反应结束后分离、清洗得复合纳米片层结构材料；

4）将步骤3）所得复合纳米片层结构材料真空干燥后，在高温条件下氢气还原处理，得到所述纳米片层结构非贵金属电催化剂。

2.按照权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：

所述含氮杂环分子为吡啶、2-2联吡啶中的一种或两种，所述芳香羧酸分子为对苯二甲酸、均苯三甲酸中的一种或两种。

3.按照权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：

所述金属有机框架结构的厚度范围为1-50 nm；所述石墨烯片层厚度为1-10 nm。

4.按照权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：

金属有机框架结构纳米片层结构与石墨烯片层结构的质量比为1:10-10:1。

5.按照权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：

二级多孔包括金属有机框架结构纳米片层结构与石墨烯片层结构内部的本征孔结构构成的一级孔，以及片层结构堆叠构成的二级孔；

所述一级孔孔径为0.5至5 nm、孔隙率为10至30%；所述二级孔孔径为10至100 nm、孔隙率为30至90%。

6.按照权利要求1所述制备方法，其特征在于：

步骤1）所述配制过程为于溶剂中加入氧化石墨使得氧化石墨质量浓度为0.05-5%，超声分散均匀至得胶体溶液；所述溶剂为二甲基甲酰胺、乙醇或水中的一种或二种以上。

7.按照权利要求1所述制备方法，其特征在于：

步骤2）所述过渡金属盐为硝酸钴、硝酸镍、亚硝酸铁、氯化锆、硝酸锌中的一种或几种；所述有机配体分子为含氮杂环分子和/或芳香羧酸分子；所述含氮杂环分子为吡啶、2-2联吡啶中的一种或两种，所述芳香羧酸分子为对苯二甲酸、均苯三甲酸中的一种或两种；

步骤2）所述过渡金属盐于混合溶液中的浓度为0.1 mM-10mM。

8.按照权利要求1所述制备方法，其特征在于：

步骤3）所述反应时间为1-12h；所述超声波功率为50-500W；

步骤3）所述分离方式为离心分离，离心转速为2000至10000转每分钟，每次离心时间为5-10分钟，离心温度为5-10℃；清洗方式为采用乙醇多次清洗；所述惰性气氛为氮气、氩气、氦气、氖气中的一种或两种。

9.按照权利要求1所述制备方法，其特征在于：

步骤4）所述高温条件为200至500℃，氢气还原处理的气氛为氢气体积含量1-20%的氢氩混合气，气体流速为10-100mL/min；还原时间不小于2小时。

10.一种权利要求1-6任一所述制备方法制备的纳米片层结构非贵金属电催化剂的应用，其特征在于：所述纳米片层结构非贵金属电催化剂可用于电化学氧还原反应、氧析出反应、氢析出反应、小分子醇类氧化反应或有机分子电化学合成反应中。