[发明专利]一种铁掺杂的咪唑酸钴空心纳米催化材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种铁掺杂的咪唑酸钴纳米催化材料的制备方法，包括：将适量的硝酸钴、硝酸铁、有机配体、有机酸充分溶解在有机溶剂中，70℃下充分搅拌得到混合反应液；2)将所述混合反应液转移至高压反应釜中，保温至反应完全；3)待高压反应釜冷却至室温后，经离心洗涤后得到棕色沉淀物，棕色沉淀物经纯化即得铁掺杂的咪唑酸钴纳米材料。

技术领域：

本发明涉及新材料合成技术领域，具体涉及电催化分解水技术领域，尤其涉及一种铁掺杂的咪唑酸钴空心纳米棒催化材料的制备方法及其应用。

背景技术：

化石燃料的不断使用引起了诸多问题，例如能源危机和环境污染等。因此迫切需要开发可持续的清洁能源替代品，而氢作为一种清洁能源，广泛应用于许多领域。目前，氢气主要通过直接电解水生产，这是一种低能耗的绿色技术，但是电解水过程中氧气释放反应(OER)的缓慢动力学会阻碍有效的水电解。贵金属催化剂IrO₂和RuO₂能有效的促进OER，但是高昂的价格和低可用性限制了它们的大范围应用。因此，非贵金属催化剂的研究备受关注，像氢氧化物、金属氧化物、钙钛矿等。目前已提出了几种提高催化剂电化学性能的策略，像增加电化学活性部位的数量以及提高催化剂的固有活性等。

金属有机骨架(MOFs)具有大表面积，高孔隙率以及可以通过改变金属活性中心和配体而易于调节的结构，可以满足开发高效OER催化剂的要求。但是大块的MOFs晶体通常又具有较差的电导率和受有机配体阻碍的活性位点等缺点，高温下的煅烧过程也有可能导致活性位点的降解和有机配体的损失，这极大地限制了MOF催化剂材料的OER性能。解决此问题的策略之一是通过添加杂原子或者配体以及产生不饱和配位中心来增加MOF晶体的晶体结构，从而增加活性位点的暴露数量。

非晶体MOF(aMOF)纳米材料作为电化学应用的新型催化剂已得到了越来越多的关注，具有巨大的应用潜力。但是aMOFs通常是在苛刻的条件下制备的，很少报道具有复杂组成和结构的aMOFs。最近，余承忠等人用简便的方法合成了具有结构和组成复杂性的aMOF为主的纳米复合材料(aMOF-NC)，基于实验和密度泛函理论计算结果，提出了非晶化/竞争性配位机理，制备了具有核壳结构的aMOF-NC，包括富铁的FeCo-aMOF核和核壳结构纳米棒中的富钴的FeCo-aMOF核壳，以及无定形的Co(OH)₂纳米片作为外层。aMOF-NC受益于结构和组成的异质性，表现出了出色的氧释放反应活性，证明了结构和组成的异质性有利于电化学性能的提高。蔡鑫等人提出了一种通过引入缺失的连接子来调节MOF的电子结构，从而改善OER的性能。

总的来说，非晶体MOF中的有效链段只能在结构的一小部分中观察到，具有不规则边界和占主导地位的原子随机分布。这种结构特征提供了许多晶体结构缺陷，这些缺陷可以充当电化学活性位点，促进质量传输并改善OER性能。因此，制备用于高效OER的非晶体催化剂具有重要的意义。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：贵金属基催化剂由于价格昂贵且存储量少等原因，不适合用做大规模生产。

发明内容：

针对上述现有技术中催化剂需要使用贵金属导致成本高昂的问题，本发明提出了一种铁掺杂的咪唑酸钴空心纳米棒催化材料，由于过渡金属存储量大，且价格低廉容易获取，铁钴类纳米材料的合成原料都由大量生产的精细化学品为原料，可以很好的节约时间和成本。

本发明的一方面提供了一种铁掺杂的咪唑酸钴空心纳米棒催化材料的制备方法及其应用，包括：

1)将适量的硝酸钴、硝酸铁、有机配体、有机酸充分溶解在有机溶剂中，70℃下充分搅拌得到混合反应液；

2)将所述混合反应液转移至高压反应釜中，保温至反应完全；

3)待高压反应釜冷却至室温后，经离心洗涤后得到棕色沉淀物，棕色沉淀物经纯化即得铁掺杂的咪唑酸钴纳米材料。

在根据本发明的一个实施方案中，步骤1)还包括：