[发明专利]一种Co原子掺杂多面体MOFs材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种Co原子掺杂多面体MOFs材料及其制备方法和应用。一种Co原子掺杂多面体MOFs材料的制备方法，包括以下步骤：向甲醇溶液中加入二甲基咪唑、锌盐和钴盐进行前驱体合成反应，反应产物经过分离、干燥后得到前驱体粉末；将双氰胺进行焙烧处理制备g‑C₃N₄粉末；将前驱体粉末和g‑C₃N₄粉末进行研磨并混合均匀得到混合粉末，将混合粉末置于惰性气氛中进行煅烧处理；将煅烧处理后得到的产物用硫酸进行酸洗，固液分离后干燥，即得到Co原子掺杂多面体MOFs材料。本发明制备的Co原子掺杂多面体MOFs材料氮含量较高，且比表面积较大，能够用于锌空电池电催化材料，且其比商业化40％Pt/C催化剂具有更优异的电催化活性。

技术领域

本发明属于锌空电池材料技术领域，具体涉及一种Co原子掺杂多面体MOFs材料及其制备方法和应用。

背景技术

环境污染、能源匮乏使得开发新能源越来越迫在眉睫，加之电动汽车和电网的巨大用电需求，这些因素都极大的推动了包括锌空气电池在内的具有高能量密度、低碳环保和地球储量丰富特点的储能设备的迅猛发展。锌空气电池由于具有高的理论功率密度、地球Zn储量丰富和使用安全等特点，在今后的社会发展中非常有希望成为储能设备中的翘楚。但目前看来锌空气电池仍然面临着不少的问题：（1）锌空气电池正极由于动力学反应速率缓慢导致了锌空气电池实际的能量密度低下；（2） 锌空气电池在充放电过程中负极锌不均匀的溶解和沉积导致锌枝晶的生长；（3）锌空气电池的电解液会与空气中的CO₂发生反应而导致电池性能的降低。这些方面的问题都是学者研发高氧还原（ORR）催化活性正极催化剂材料时所需要考虑的。能否解决这些问题对提高锌空气电池整体性能方面至关重要。

以贵金属铂为基础的铂碳（Pt/C）催化剂被认为是具有最高的氧还原（ORR）活性的电催化剂，但其昂贵的价格限制了其大量生产和商业化使用。有机金属骨架（MOFs）是由有机配体和金属离子经过配位键进行连接的具有孔道的有机-无机杂化材料，其优点：高的比表面积、良好的导电性、良好的形态和大量的氮配体，随着科技的发展而越来越受到人们重视。此外，氮元素掺杂的碳材料，例如氮杂石墨烯、氮杂碳纳米管等在碱性条件下具有较好的电催化氧还原（ORR）活性。

目前，对于锌空电池电催化材料的研究已有很多，如中国专利CN202010841907.6公开了一种用于锌空电池的Cu掺杂中空六边形ZIF-8材料的制备方法，包括下列步骤：以二甲基咪唑和六水合硝酸锌为原料合成ZIF-8材料；用单宁酸将ZIF-8变成中空的ZIF-8材料；再将中空ZIF-8放入硝酸铜溶液制得CuHZ-8前驱体，用双氰胺在马弗炉里550℃煅烧得到g-C3N4，将CuHZ-8与g-C3N4均匀混合放入管式炉中煅烧，最后用硫酸洗涤得到Cu负载的中空六边形ZIF-8材料。中国专利CN201910398385.4公开了一种铁/铜氮杂石墨烯锌空气电池阴极催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将羟基氧化铁、氢氧化铜与氧化石墨烯和石墨相氮化碳(g-C3N4)混合，加入海藻酸钠制得凝胶；(2)将上述凝胶放入一端封闭的石英管中，用离心泵抽真空后，将石英管放入750-950℃的马弗炉中煅烧10-20min，再室温冷却；(3)将上步骤得到的黑色固体在盐酸中浸渍8-12h并保持在50-80℃，然后用去离子水和乙醇洗涤至中性后干燥，将干燥后的黑色粉末置于一端封闭的石英管中，抽真空后在750-850℃下煅烧10-20min，冷却后得到铁/铜氮杂石墨烯。

虽然已经有了多种锌空电池电催化材料的制备方法，但很少有制备Co原子负载的MOFs材料，而且MOFs的ORR活性不高很难被应用于锌空电池。此外，现有技术制备得到的高活性的MOFs材料比较简单，而负载单原子Co的MOFs材料还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足之处，提供一种Co原子掺杂多面体MOFs材料及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种Co原子掺杂多面体MOFs材料的制备方法，包括以下步骤：