[发明专利]一种基于ZIF-67的镧掺杂氧化钴催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于ZIF‑67的镧掺杂氧化钴催化剂及其制备方法与应用，属于能源纳米材料技术领域。该方法包括：将钴源、镧源溶于甲醇中，加入有机配体溶液，搅拌反应，离心取沉淀，洗涤，烘干后烧制得到镧掺杂氧化钴催化剂。本发明以ZIF‑67为前驱体，使用热解法制备出镧掺杂氧化钴催化剂，该催化剂是一种纳米材料，利用不同的掺杂比例对催化剂的电子结构进行调控，并将得到的镧掺杂氧化钴催化剂用于电催化产氢时，其性质优良，稳定性好。用该种材料代替商用贵金属催化剂，可以降低产氢的成本，有望在商用电解水领域得到应用。

技术领域

本发明属于能源纳米材料技术领域，具体涉及一种基于ZIF-67的镧掺杂氧化钴催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

全球能源需求的增长，加上化石燃料的枯竭以及一系列环境问题的产生，正促使人们对能源问题进行深入思考。传统化石能源的广泛使用造成了无法逆转的环境污染，并且这类不可再生能源随着人类的过渡开采与使用逐步消耗殆尽。因此，各类高效环保的清洁能源正在被广泛探究。

在众多的清洁能源中，最为典型的一种就是太阳能电池。不过由于区域或季节因素，太阳能通常是不连续且可变的，因此需要一种有效的手段来收集存储太阳能。而电驱动的水分解产氢和产氢被认为是实现太阳能/电能转换为化学能最有前景的策略之一，它克服了其区域性和季节性的变化问题，具有较高的实用价值不过，在电解水的过程中，阴极与阳极催化剂的高成本与低效率在很大程度上制约了其发展。因此，开发一种新型高效且廉价的催化剂就变得非常关键且具有挑战性。

应用于电化学水分解的催化剂多种多样。近年来，金属有机框架材料(MOFs)及其衍生物在电催化水分解领域引起了广泛的兴趣。MOFs是一种新型多孔材料，其具有高比表面积与高孔隙率，以其为前驱体制备的一系列MOFs衍生物在析氢反应(HER)和产氧反应(OER)反应中有着高效的催化效率。例如例如Ma等设计了一款衍生自MOFs的碳杂化Co₃O₄纳米阵列，具有高效的OER活性，这种催化材料在10mA·cm^-2的电流密度下仅有290mV过电势，且塔菲尔斜率为70mV·dec^-1(Ma T Y,Dai S,Jaroniec M,et al.Metal-OrganicFramework Derived Hybrid Co₃O₄-Carbon Porous Nanowire Arrays as ReversibleOxygen Evolution Electrodes[J].Journal of the American Chemical Society,2014,136(39):13925-13931.)。除此之外，可以通过掺杂新元素提高钴的氧化物电解水的性能，例如Li等通过两步溶剂热法在泡沫镍表面上开发了与氮掺杂碳结构互连的Co₃O₄纳米颗粒，这种催化材料在10mA·cm^-2的电流密度下仅有235mV过电势(Li H,Tan M,Huang C,etal.Co₂(OH)₃Cl and MOF mediated synthesis of porous Co₃O₄/NC nanosheets forefficient OER catalysis[J].Applied Surface Science,2021,542.)。

然而，纯的氧化钴表面暴露的活性位点较少、催化活性不高、稳定性也比较差，这些都阻碍了其电催化活性的进一步提高。此外，钴的氧化物主被用于产氧反应，而在析氢反应方面较少被报道，这也限制了其未来的商业应用。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于ZIF-67的镧掺杂氧化钴催化剂及其制备方法与应用。