[发明专利]基于Cu(Ⅱ)金属有机框架材料及其合成方法和应用

说明书

本发明涉及基于Cu(Ⅱ)金属有机框架材料的制备及电催化析氢性能，归属于催化剂制备领域。该金属有机框架材料的化学分子式为：[Cu(hfipbb)(H₂hfipbb)_0.5]_n其中n为非零的自然数，H₂hfipbb表示2,2‑双(4‑羧基苯基)六氟丙烷。结晶于单斜晶系，属于P2/n空间群。本金属有机框架材料具有合成温度温和，反应时间短，合成工艺简单以及催化剂用量少等优点，并且经由测试表明该材料在电催化方面具有较高的催化性能。

技术领域

本发明属于催化制备领域，特别基于Cu(Ⅱ)金属有机框架材料及其合成方法和应用。

背景技术

随着社会的不断发展，人们对化石燃料的使用也越来越多，在享受着其带来的好处时，过度使用化石燃料也加剧了空气污染和全球变暖。因此，开发一种清洁的可再生能源替代化石燃料是一件非常紧迫的事情。而氢能因其清洁、可持续并且燃烧热值高被认为是理想的替代能源之一。电催化作为一种既简单又高效的产氢方式，已成为国内外研究热点。迄今为止，Pt被认为是最理想的电催化剂。然而，贵金属的稀缺性和高昂的成本极大地阻碍了它们的实际应用。因此，寻找廉价、可持续和高效的电催化剂成为必然的趋势。而过渡金属铜(Cu)已成为制备高效HER电催化剂的非贵金属之一。

由有机配体和无机金属中心(金属离子或金属簇)协同构筑的金属有机框架材料(MOFs)引起了广泛的关注，是近些年来发展最为迅速的一种新型多孔材料，在催化、储能和分离中都有广泛应用。与传统材料相比，MOFs因具有结构可设计剪裁、比表面积高、孔径可调等优点，被认为是最有前景的材料之一。作为电催化剂，MOFs材料具有以下几个显著特性：(1)MOFs框架中含有丰富的不饱和配位的金属活性中心以及大的比表面积，为电子的传输提供大量的活性位点；(2)MOFs材料易功能化，可通过修饰一些官能团提高材料本身的导电性；(3)MOFs的孔结构使得它能与其他催化活性中心方便地结合，从而构筑新型的MOFs复合材料催化剂。虽然MOFs材料在作为电催化剂方面体现出许多的优势，但也存在一些问题，例如导电性较差的缺点。

发明内容

针对以上问题，本发明目的在于合成一种Cu-MOFs，利用该MOFs材料的催化性能，实现高效的产氢效果。

为实现上述目的，本发明采取下面的技术方案：

一种用于合成金属有机框架材料的有机配体H₂hfipbb，其化学命名为2,2-双(4-羧基苯基)六氟丙烷，其化学结构式为：

一种Cu(Ⅱ)金属有机框架材料及其合成方法和应用，其化学分子式为：[Cu(fipbb)(H₂hfipbb)_0.5]_n，n为非零的自然数。该金属有机框架材料的基本单元包括1个晶态学独立的Cu²⁺离子和1.5个有机配体，其中，Cu²⁺离子与1.5个有机配体上的6个羧基氧原子相连。其单晶结构如图1所示。如图1所示Cu-MOFs结晶属于单斜晶系，属于P2/n空间群，晶胞参数为：α＝90°，β＝107.638(2)°，γ＝90°，具体晶体数据见表1。

表1：金属有机框架材料的晶体学数据

上述的Cu(Ⅱ)金属有机框架材料Cu-MOFs的合成方法，包括以下步骤：在封闭的条件下，有机配体与碘化亚铜在DMF和H₂O的混合体系中进行水热反应，并加入一定量的氟硼酸调节溶液pH值，反应一段时间后得到金属有机框架材料，即Cu-MOFs材料。其中，有机配体与碘化亚铜的摩尔比为1:2-5，DMF与H₂O的摩尔比为1:1-2，加入氟硼酸调节溶液的pH＝3-5，反应时间为20-30h，反应温度为70-100℃。