[发明专利]基于Bio-MOF-11的Co-N-C复合材料及其制备和应用

说明书

本发明提供了基于Bio‑MOF‑11的Co‑N‑C复合材料及其制备和应用。所述的基于Bio‑MOF‑11的Co‑N‑C复合材料，其特征在于，由Bio‑MOF‑11经过高温碳化得到，所述的Bio‑MOF‑11由醋酸钴和腺嘌呤反应得到。本发明利用金属有机配位制备生物MOF，再通过高温碳化技术得到具有高催化活性的过渡金属氮掺杂的碳材料。所制备的Co‑N‑C复合材料具有较高的ORR性能以及电化学稳定性，同时是理想的锌空电池催化剂。

技术领域

本发明涉及一种基于Bio-MOF-11的Co-N-C复合材料及其制备和应用，属于电催化纳米材料技术领域。

背景技术

金属空气电池早在第一次世界大战中便作为便携式电源用于铁路、邮电系统。它是一种介于一次电池与燃料电池之间的“半燃料”电池，兼具燃料电池和电池的特点，并具有容量大、比能量高、成本低、放电稳定等优点，是一种具有巨大市场前景的电源。电极催化活性的高低和寿命问题是制约锌空电池的关键因素之一，Pt基的电催化剂(如Pt/C)显示出对HER和ORR的最高活性，而基于Ru/Ir的材料是用于OER的最先进的电催化剂。然而，Pt和Ru/Ir由于它们的限制资源而具有过高的成本，并且对于具有充电/放电循环的可充电金属-空气电池系统来说反向反应活动缓慢是不可或缺的。因此，开发基于非贵重材料的合理设计，高效的催化剂，以满足ORR，OER和HER的要求，是水分解和金属-空气可充电电池应用的关键挑战。

Bio-MOF-11碳化后的Co-N-C复合材料，在ORR中表现出优异的催化活性，具有良好的导电性和丰富的钴纳米粒子活性中心和吡啶-N的均匀分布，可作为性能优异的锌空电池催化剂，在可持续能源转换和储能技术中有所应用。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种制备过程环保、简单、制备成本低、电化学性能优异的一种基于Bio-MOF-11的Co-N-C复合材料及其制备方法和应用。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于Bio-MOF-11的Co-N-C复合材料，其特征在于，由Bio-MOF-11经过高温碳化得到，所述的Bio-MOF-11由醋酸钴和腺嘌呤通过水热反应得到。

本发明还提供了上述的基于Bio-MOF-11的Co-N-C复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将醋酸钴与腺嘌呤进行水热反应得到Bio-MOF-11，经高温碳化制备Co-N-C复合材料。

优选地，所述的醋酸钴和腺嘌呤的重量比为1∶2-6。

优选地，所述的反应在密封条件下进行，反应温度为100-140℃，反应时间为8-12h。

优选地，在将Bio-MOF-11高温碳化前，先将Bio-MOF-11在50-70℃、真空条件下干燥处理。

优选地，所述的高温碳化的工艺参数为：惰性气体气氛下，碳化温度为600℃～800℃，升温速率为3-8℃/min，升到目标温度后，保温1-3h。

更优选地，所述惰性气体为氩气。

优选地，所述的Co-N-C复合材料依次经酸洗、干燥后处理。

更优选地，所述酸洗过程为：在浓度为0.5-1.5mol/L的盐酸中搅拌6-10h。

优选地，所述的将醋酸钴与腺嘌呤反应得到Bio-MOF-11的具体步骤包括：将将醋酸钴与腺嘌呤混合后，溶解于溶剂中，倾倒至聚四氟乙烯内衬反应釜中，将该内衬反应釜密封在不锈钢高压釜中，放到烘箱中加热到反应温度，然后保持恒温进行反应，自然冷却至室温后，打开内衬反应釜倾倒掉上层清液，向剩余白色沉淀物中加入蒸馏水，搅拌后离心处理，再用蒸馏水、无水乙醇依次洗涤，离心，得到产物Bio-MOF-11，放置在真空干燥箱内。

更优选地，所述的溶剂为N，N-2甲基甲酰胺。