[发明专利]一种无粘结剂的自支撑电催化产氢材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种无粘结剂的自支撑电催化产氢材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将竹纤维膜浸泡于含有镍源的水溶液中，然后取出洗涤得到负载镍的竹纤维膜；(2)将负载镍的竹纤维膜加入到含有镍源、2,5‑二羟基对苯二甲酸、N‑N二甲基甲酰胺、乙醇和水的混合溶液中，进行溶剂热反应，然后取出洗涤、真空干燥，得到负载Ni‑MOFs颗粒的竹纤维膜前驱体；(3)将负载Ni‑MOFs颗粒的竹纤维膜前驱体在保护性气氛下高温碳化处理，即得到自支撑电催化产氢材料。本发明的制备方法采用竹纤维与金属有机框架相结合，经碳化后依然保持良好的骨架形貌，有利于提高电催化产氢材料的催化活性与稳定性。

技术领域

本发明属于储能材料领域，尤其涉及一种电催化产氢材料的制备方法。

背景技术

伴随着社会生产力的不断提高，预计在未来几十年内全球的能源需求也将急剧增长。目前，社会生产消耗的能源以化石能源(例如石油、煤、天然气)为主，该类能源在过渡开采的同时，还带来了生态环境恶化、温室效应等一系列问题，严重阻碍人类社会的可持续性发展。因此开发清洁的可再生能源就显得尤为重要。尽管人类加快了开发可再生能源的脚步，但如今看来，季节、地理位置等因素导致可再生能源分布不均匀且存在间歇性，使其能源消耗占比仍非常小。因此，把这些可再生能源转化成清洁的化学燃料(例如氢气)或电能而实现高效的转化与存储，将使人类的能源开发利用进入一个良性循环。目前国内主流的储能装置如锂电池和电容器材料来说，其关键性的电极材料的制造成本价格高昂。实现储能材料加工利用的技术突破、降低储能用电极材料的成本，是储能实现产业化的关键。

生物质材料是以木本植物、禾本植物和藤本植物及其加工剩余物和废弃物为原材料，通过物理、化学和生物学等高技术手段，加工制造性能优异、附加值高的新材料，其被认为是地球上最丰富的可再生资源之一，具有极高的利用价值。常见的生物质材料有木材、秸秆、竹材、淀粉、树皮、纤维素、木质素、半纤维素、蛋白质、甲壳素等。但目前我国对生物质材料的加工利用水平不高，其中竹材在利用过程中能产生60-70％的剩余物，一般被遗弃在山林或作为普通燃料使用，不但造成严重的资源浪费，同时对环境产生了严重污染。将竹木剩余物资源高效综合利用，在世纪严峻的自然环境背景下不仅具有显著的生态意义，还有深远的经济和社会效益。竹纤维是从自然生长的竹子中提取出的一种纤维材料，因其表面具有许多羟基、羧基等活性基团，表面活性位点丰富，这些活性基团可为竹纤维与外源异质功能成分重组提供反应载体，同时也是竹纤维自结合形成氢键的化学基础，可交织成空间网状结构，能赋予材料更好的力学强度与细致均匀的多孔特性以及高表面积，使其可以作为催化产氢材料的理想载体。但目前竹木纤维作为一种绿色材料主要在纺织、建筑等行业广为使用，而作为催化产氢材料载体在电催化方面的应用鲜有报道。因此，对竹木纤维进行高附加值利用，拓展其在新能源、新材料等领域的应用具有重大意义。

金属有机骨架材料(Metal-Organic Framework，MOFs)是一类由无机金属节点和有机桥连配体通过配位自组装得到的具有周期性结构的新型材料。它不仅拥有丰富的拓扑结构，而且具有较高的比表面积，同时结构兼具可设计性、可剪裁性、易功能化等特点，在气体存储、分离、捕集、催化等诸多领域都极具应用前景。此外，MOFs骨架中还具有高密度的配位不饱和金属活性位点和大的孔隙率，使其不仅可以应用于多相催化，而且比其它类型的催化剂具有更优越的催化性能，因此其作为催化产氢材料得到了广泛的开发。据报道，到目前为止，已经合成并记录了超过20000个MOFs，但大多数报道的MOFs是作为粉末合成的，没有Nafion、聚四氟乙烯等聚合物粘合剂的协助不能直接用于电解，而使用聚合物粘合剂可能会导致活性位点的部分覆盖以及阻挡活性物种在催化剂-电解质界面的传递。因此，制作一种基于MOFs的无粘结剂自支撑电催化产氢材料是非常有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种低成本和高催化活性的无粘结剂的自支撑电催化产氢材料的制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种无粘结剂的自支撑电催化产氢材料的制备方法，包括以下步骤：