[发明专利]一种由MOF材料衍生的Ni / N-C NW的析氧催化剂

说明书

本发明属于电催化析氧领域，是一种由MOF材料衍生的掺氮碳纳米线负载Ni的混合材料（Ni/N‑C NW）析氧催化剂。本发明针对贵金属催化剂成本高以及非贵金属材料催化活性低的不足，提供了一种Ni/N‑C NW的电催化析氧材料及其制备方法，本发明以Ni‑MOF材料为前驱体，通过加热分解得到其衍生材料，该过程使混合材料提供更多活性位点。采用本发明制备的Ni/N‑C NW混合材料具有稳定性高，催化活性好的优点。同时本发明使用的非贵金属Ni在我国储量丰富，价格低廉，是一种实际可用的优质材料。

技术领域

本发明属于电催化析氧领域，是一种由MOF材料衍生的掺氮碳纳米线负载Ni的混合材料（Ni / N-C NW）。

背景技术

解决能源短缺与环境问题是实现人与自然和谐共存、经济可持续发展的两大迫切需要。电催化材料与技术是当前世界范围内公认的最具有应用前景的新能源技术之一。相应的催化剂作为电催化技术的重要组成部分近年来成为能源与材料领域的研究热点。贵金属高效催化剂的代表有Pt、Pd、Ir等及其相应混合材料，但考虑到其地壳丰度、成本等系列问题而难以将其作为今后实际应用的首选。因此，开发能够取代贵金属催化剂的高性价比非贵金属或非金属催化剂是当前乃至今后几十年内电催化技术领域的重中之重。

金属有机骨架材料（MOFs）是一类由金属离子与有机配体通过配位络合而成的新型材料，具有高比表面积，多孔结构，易于调控等特点，在催化领域展现出了一定的电化学活性而备受瞩目。但该类材料目前依然存在一些问题，如导电性较差，结构易于坍塌等。

本发明中由Ni-MOF材料衍生的Ni / N-C NW混合材料具有良好的电化学性能和稳定性。溶剂热法合成的Ni-MOF前驱体经高温热解，其中，前驱体的有机配体2,5-吡啶二甲酸衍生为含氮碳纳米线，金属节点衍生为无机镍纳米颗粒。同时，原本自组装成球状的纳米线经高温热解分散成平面状纳米线并且作为导电载体基质负载着无机镍纳米颗粒。该混合材料克服了MOF材料的缺陷，在稳定性和导电率等方面得到了很大的提升。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种简便的方法制备Ni / N-C NW的混合材料。将Ni-MOF作为前驱体，进行处理后得到由碳负载的无机镍纳米颗粒混合材料并用于催化析氧反应。碳材料由于其导电性良好、孔隙率发达以及比表面积较大，可以很大程度上改善有机金属框架稳定性差的缺陷。该发明目的是以可持续发展为基础，利用非贵金属材料制备出具有稳定结构的电催化析氧材料。

上述的Ni / N-C NW电催化析氧材料的制备方法，步骤如下：

（1）称取32 mL N,N-二甲基甲酰胺、2 mL乙醇、2 mL去离水置于烧杯中，经过超声混合均匀后先加入0.75 mmol 2,5-吡啶二甲酸，然后在超声条件下再加入0.75 mmol四水合乙酸镍，溶解完全后得到混合溶液。

（2）将上述混合溶液装入水热反应釜，置于烘箱140 ℃保持48 h。反应结束后进行离心，样品连同离心管一起放入冰箱冷冻直至样品完全凝固，再放入冷冻干燥机冷冻干燥3h ，得到Ni-MOF前驱体。

（3）将上述制备的Ni-MOF前驱体研磨成粉末，并将粉末置于管式炉中，在氮气保护下以10 ℃ min^-1升温速率升至600 ℃加热2 h，即得到Ni / N-C NW混合材料。

本发明的有益效果为：

1、经过高温碳化，前驱体中的碳元素组分转变成了导电载体基质碳纳米线，提高了衍生材料的整体导电性，有利于实现快速电子传输。

2、衍生材料加大了前驱体中活性位的暴露，使更多的活性位参加催化反应，改善材料的催化活性。

3、衍生材料极大的发挥了金属、金属氧化物、氮、碳组分间的协同作用。

附图说明