[发明专利]一种N/P共掺杂MOFs-C基材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于储能及电催化技术领域，本公开涉及一种N/P共掺杂MOFs‑C基材料及其制备方法和应用。制备方法为：利用有机磷配体、联吡啶、硫酸锌作为原料，反应得到MOFs材料；将得到的MOFs材料在惰性气氛下进行热解得到N/P共掺杂MOFs‑C基材料。反应得到结构周期性分布的MOF配合物，在热解的过程中形成多孔的结构，由于MOFs的结构特点，使得到的MOFs空隙结构分布具有均匀性。热解的过程中金属锌随着热解气排出，确保了电池在宽pH条件下运行的稳定性。

技术领域

本发明属于储能及电催化技术领域，具体涉及一种N/P共掺杂MOFs-C基材料及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

世界经济的增长过渡依赖煤炭、石油等天然能源，大量污染物的排放导致地球环境日益恶化，因此，清洁、低碳、高效的能源变革已是大势所趋。自上世纪九十年代，科学家就已经开始试图通过采用清洁能源的方式，帮助人类社会摆脱对石化能源的依赖。1839年，英国科学家Grove等首次提出了燃料电池(Fuel Cell)这一概念，这是燃料电池发展史上一个具有革新意义的重要开端。锌空燃料电池在具备功率高、能量密度大的同时，具有负载响应快，启动速度快的优势。目前，世界各国正逐渐加快锌空燃料电池的研究步伐。但研究显示，电池阴极缓慢的ORR反应速率是阻碍该技术进一步商业化发展的核心问题，其反应速率低于阳极HOE多个数量级，50％以上的电池极化能量损失都是由缓慢的ORR所致。为解决此问题，研究者提出采用贵金属Pt作为阴极材料，提高催化活性。但鉴于Pt金属昂贵的价格、稀少的储量以及较差的稳定性等因素，其很难适应锌空燃料电池大规模应用的要求。再者，部分研究聚焦于非贵金属，但其较低的稳定性和导电性使得该类物质无法长时间在酸/碱性电解质中工作。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种N/P共掺杂MOFs-C基材料及其制备方法和应用。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种N/P共掺杂MOFs-C基材料制备方法，所述方法为：

利用有机磷配体、联吡啶、硫酸锌作为原料，反应得到MOFs材料；

将得到的MOFs材料在惰性气氛下进行热解得到N/P共掺杂MOFs-C基材料。

有机磷配体、联吡啶、硫酸锌作为原料，反应得到结构周期性分布的MOF配合物；原料的选择使得到的MOFs具有N和P掺杂的特点，实现了N和P的均匀掺杂。

得到的MOFs进行热解，在热解的过程中形成多孔的结构，由于MOFs的结构特点，使得到的MOFs空隙结构分布具有均匀性。

热解的过程中金属锌随着热解气排出，使最后得到的N/P共掺杂MOFs-C基材料中不含金属，确保了电池在宽pH条件下运行的稳定性。

在本发明的一些实施方式中，有机磷配体为2,4,6-三甲基苯-1,3,5-三亚甲基亚磷酸，结构式如式I所示：

选择2,4,6-三甲基苯-1,3,5-三亚甲基亚磷酸作为有机磷配体的原因为该配体可以和吡啶及锌离子形成周期性分布的空间结构，这样P元素和N元素可以均匀分布。

利用有机磷配体、联吡啶和硫酸锌间的配位作用，形成结构周期性分布的MOF配合物。

在本发明的一些实施方式中，MOFs材料的制备方法为：将有机磷配体溶于水中得到有机磷配体溶液，加入联吡啶溶液和硫酸锌溶液，反应得到MOFs材料。

在本发明的一些实施方式中，有机磷配体溶液中有机磷配体的质量浓度为0.004-0.006；优选为0.005g/ml。