[发明专利]一种CeO2和Co3O4杂化Ce-MOF/Co-MOF复合催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种CeO₂和Co₃O₄杂化Ce‑MOF/Co‑MOF复合催化剂的制备方法以及基于该催化剂用于电催化室温氮气还原的应用，属于纳米材料技术、催化技术等领域。其主要步骤是先用硝酸铈溶液和间苯三甲酸配体溶液制备Ce‑MOF晶体；将硝酸钴溶液与Ce‑MOF晶体溶液混合，并加入碳酸钠溶液，制得Ce‑MOF/Co‑MOF复合材料，将该复合材料置于管式炉中，空气气氛下250 ℃氧化‑分解2 h，得到CeO₂和Co₃O₄杂化Ce‑MOF/Co‑MOF复合催化剂；将该催化剂用于电催化室温氮气还原，该催化剂制备工艺简单，耗时短，成本低，有很好的工业前景。

技术领域

本发明公开了一种CeO₂和Co₃O₄杂化CeCo-MOF复合催化剂的制备方法以及该催化剂用于电催化室温氮气还原的应用，属于纳米材料、催化技术等领域。

背景技术

由于化石燃料供应有限，使用可再生能源驱动严重依赖化石燃料消耗的化学过程具有非常重要的意义。目前工业合成NH₃，是在高温（350-550 ℃）和高压（150-350 atm）下使用铁基催化剂由N₂和H₂为原料，经能量密集型Haber-Bosch化学过程实现。由于NH₃广泛用于农业化肥、制药和许多其他工业过程，是世界上需求量和产量最高的无机化学品之一。例如，2015年，通过Haber-Bosch工艺生产了大约1.46亿吨NH₃，占全球年产天然气产量的3-5％，约占全球年度能源供应量的2％。这一工业过程排放的二氧化碳也占全球二氧化碳排放量的1-2%。

Haber-Bosch工艺的一种替代方法是使用电催化驱动NH₃合成反应，该工艺一方面可减少对高温和高压的需求，从而降低能量需求；另一方面，由来自太阳和风能等可再生能源的电力供給合成，其原料是H₂O和价廉N₂，替代了清洁可储存能源H₂。然而，断裂稳定的N₂分子中的三个共价键，必须使用N₂还原反应（NRR）电催化剂，电催化剂的制备技术是电化学固氮技术的核心。尽管包括Ru、Pt、Au催化剂等已证明了NH₃的电化学合成的可行性，但它们高昂成本和有限的资源限制了其大规模应用，因此，开发价廉NRR催化剂是一个巨大的挑战。

金属有机框架物（MOFs）是指过渡金属离子与有机配体通过自组装方式形成的具有周期性的网络结构的晶体多孔材料，其三维孔结构包括两个重要的组分：结点（connectors）和联接桥（linkers），一般以金属离子为结点，有机配位体支撑构成空间3D延伸。与传统多孔材料相比，MOFs材料具有其得天独厚的优势，例如，其原料（金属离子和有机配位）选择范围广，孔道大小、比表面积、活性位点和刚柔性等都可以通过合理的选择金属离子和有机配体来进行分子调控。

发明内容

本发明的技术任务之一是为了弥补现有技术的不足，提供一种以MOFs为原料制备CeO₂和Co₃O₄杂化Ce-MOF/Co-MOF复合催化剂的制备方法，该方法耗时短、成本低、能耗少、制备工艺简单，具有很好的工业前景。

本发明的技术任务之二是提供所述催化剂的用途，即将该催化剂用于高效电催化室温氮气还原，具有很高的催化效率和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

1. 一种CeO₂和Co₃O₄杂化CeCo-MOF复合催化剂的制备方法