[发明专利]一种稀土金属有机框架衍生双功能催化剂及其用途

说明书

本发明公开了一种稀土金属有机框架衍生双功能催化剂及其用途，以有机配体和金属盐溶液通过自组装再经高温煅烧获得。具体为：通过镧盐、钴盐和有机配体分散于分散剂中，水热反应得到固体产物，在惰性气体环境下烧结，即得镧框架衍生钴掺杂的双功能催化剂。本发明制得的催化剂材料富含氧空位，有效调控了催化剂的电子结构和化学性质；原位钴掺杂促使镧基化合物中La₂O₃/La(OH)₃异质界面的形成，协同耦合碳材料使材料获得更多活性位点；其独特的多孔空心结构和介孔为传质提供更多通道，显著提高了氧还原和氧析出性能。同时实现了催化剂的高效双功能特性，用于锌‑空气电池空气阴极，表现出优异的电池性能。

技术领域

本发明属于电催化剂材料技术领域，涉及一种稀土金属有机框架衍生双功能催化剂及其用途，具体为镧基金属有机框架材料(La-MOF-NH₂)和La-MOF-NH₂衍生Co掺杂La₂O₃/La(OH)₃复合电催化剂的制备方法及其用途。

背景技术

随着社会能源短缺和环境问题的加剧，清洁能源的开发与利用大大促进了高效、无污染能源转换和储存设备的普及。可充电锌-空气电池具有低成本、无污染、理论能量密度高(1086Wh kg^-1)和运行安全等优点，被认为是一种极具前景的新型化学储能电源。

锌-空气电池在放电和充电过程中，空气阴极上分别发生氧还原反应和析氧反应。氧反应涉及气-液-固三相的反应过程，因此其反应动力学复杂且缓慢，导致锌-空气电池的能量转换效率受到严重限制。因此，发展高效的双功能氧反应电极材料至关重要，同时也是当前国家新能源战略计划重要课题之一。目前，铂、钌、铱基催化剂因其优异的催化性能在空气阴极中得到了广泛应用。但贵金属资源稀缺、价格昂贵和稳定性差等问题，极大地阻碍了其在商业锌-空气电池中的大规模实际应用。为了满足未来市场的迫切需求，高性能、低成本双功能非贵金属电催化剂的合理设计和开发是非常必要的。

近年来，稀土金属氧化物/氢氧化物构建的非贵金属双功能催化剂，具有毒性低、氧空位多、储氧能力强等优点，引起了人们极大的研究兴趣。但由于常规湿法合成不需要高温热解，因而形成的稀土化合物通常为低结晶或非晶态，导致其催化活性位点密度较低、电导性较差，氧还原和氧析出催化性能难以满足锌-空气电池应用的要求。研究表明，通过加快电荷转移过程和调控中间产物的吸脱附，可以进一步改善锌-空气电池阴极的电催化活性。特别是，向金属氧化物/氢氧化物中引入空位缺陷，改变催化剂表面电子结构，进而改变中间产物在催化剂表面的吸附能，可以获得优异的导电性和催化活性。

发明内容

针对现有稀土化合物结晶性差、催化活性位点密度低、电导性差且催化性能难以满足锌-空气电池应用的要求等问题，本发明提供了一种镧基有机框架衍生的钴掺杂双功能催化剂及其制备方法和用途。

本发明具体通过以下技术方案实现：

一种稀土金属有机框架衍生双功能催化剂，以有机配体和金属盐溶液通过自组装获得。

具体为：通过镧盐、钴盐和有机配体分散于分散剂中，水热反应得到固体产物，在惰性气体环境下烧结，即得镧框架衍生钴掺杂的双功能催化剂。

进一步的，所述的水热反应条件为：温度120～180℃，时间8～12h。

进一步的，所述的选自对苯二甲酸、2-氨基对苯二甲酸、2-硝基对苯二甲酸、2-甲基咪唑或均苯三甲酸。

进一步的，所述的镧盐选自六水合硝酸镧、水合醋酸镧或乙酰丙酮镧。

进一步的，所述的钴盐选自乙酸钴、氯化钴、硫酸钴或硝酸钴。

进一步的，所述的分散剂选自N,N-二甲基甲酰胺、水、乙醇、甲醇或乙二醇。

进一步的，所述的镧盐与有机配体摩尔比为1:1～5。