[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

说明书

一种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、铜、铁、锆、锌、锰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。本发明还包括所述纳米片层结构非贵金属电催化剂的制备方法，该方法具有结构与性能的可调控性，片层厚度、片层结构孔隙率、活性位点密度、导电性等均可在实验过程中进行有效调控，从而针对实际应用目标进行优化与改进。

技术领域

本发明涉及一种纳米片层结构非贵金属电催化剂及其制备方法，具体地说这种纳米片层结构非贵金属电催化剂具有超薄金属有机框结构纳米片层与石墨烯片层交叠构成，其片层厚度、尺寸、孔隙率均可调节，其可用于电化学氧还原反应、氧析出反应、氢析出反应、二氧化碳电还原、小分子醇类氧化反应、有机分子电化学合成反应的体系中。

本发明还涉及上述材料的制备方法。

背景技术

电化学催化反应在能源技术、分析表征技术、电子与信息技术以及材料合成技术等国民经济重要领域具有不可替代的作用。电化学催化剂的结构设计与材料合成是该领域的核心技术之一。随着纳米技术的不断发展与在能源材料领域的深入研究，具有纳米尺度的新材料及其具有的特殊物化性质得到了广泛的应用。其中，金属有机框架结构(MOFs)作为近年来发展起来的新型纳米多孔材料，由于其具有有序孔结构、高化学活性、高比表面积等优异的性质，在电化学催化领域具有极大的应用潜力。基于MOFs材料的电化学催化研究，目前开拓出了包括氧还原反应(ORR)、氧析出反应(OER)等能源器件密切相关的催化反应体系，以及有机小分子合成、二氧化碳电还原等材料环境相关的催化体系等。但与此同时，我们也发现MOFs材料由于其自身的不稳定性、导电性能不足等缺陷，在电催化领域的应用仍旧面临着活性、稳定性的严峻挑战。基于石墨烯的一系列衍生材料材料具有多种独特的性质，尤其具有的高导电性、高比表面积、高稳定性等特征使其在能源、催化等领域具有极其广阔的应用前景。将其与MOFs材料进行有机的复合，将可能在上述领域实现有效的应用。

鉴于此，开发一种具有高活性、高稳定性，且结构可控的的新型MOFs与石墨烯材料的复合催化剂，是未来MOFs材料实现其应用价值的关键步骤之一，也可能在电化学催化领域开拓全新的研究应用领域。

发明内容

本发明将制备一种纳米片层结构非贵金属电催化剂，具体地说这种纳米片层结构非贵金属电催化剂具有超薄金属有机框结构纳米片层与石墨烯片层交叠结构，其片层厚度、尺寸、孔隙率均可调节，其可用于电化学氧还原反应、氧析出反应、氢析出反应、二氧化碳电还原、小分子醇类氧化反应、有机分子电化学合成反应的体系中。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

一种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、铜、铁、锆、锌、锰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。

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。

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

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质量比为1:10-10:1；该质量比优选为1:2-2:1，在所述优选范围内片层堆叠结构更为明显。

二级多孔包括金属有机框架结构纳米片层与石墨烯片层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；