MOF衍生的多孔碳复合材料的可控制备开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

随着煤、石油、天然气等化石燃料的日益枯竭，以及人们对环境保护意识的日益增强，大力发展清洁可再生能源已成为当前各国应对能源紧缺、改善生态环境的重要发展方向，也是我国的基本国策。氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源备受关注，其发热值高达142351 kj/kg，是汽油发热值的3倍，被视为21世纪最有前途的绿色、可持续能源之一，在氢燃料电池、氢能汽车等领域具有广阔的应用前景。目前工业上主要采用热解天然气或水煤气制氢，但这些方法能耗大，而且会加剧环境污染，不可持续，存在很大的弊端。而电催化水分解制氢具有纯度较高、生产技术安全可靠、污染小以及易实现自动化控制等优点，使其在制氢方面显示出良好的应用前景^[1,2]。但因为水的电化学反应中的析氧反应（oer）、析氢反应（her）和氧还原反应（orr）的反应动力学速率缓慢，极化电位过大，分解效率较低，阻碍了电催化水分解制氢大规模应用。因此，制备能提高电催化水分解速率的电催化剂对于电催化制氢技术至关重要。常见的电催化剂有碳材料、贵金属、过渡金属和磷化物^[2]。

近年来，多孔碳材料因其比表面积较高，价格低廉以及出色的导电和导热性能越来越受研究人员的关注。在吸附、催化及电化学储能等领域都表现出巨大的应用前景。传统的多孔碳材料的制备方法主要有活化法和模板法。但活化法所得的多孔碳材料结构孔径分布较宽，孔道形状也难以控制。而模板法合成过程复杂，而不利于得到均一性材料，且成本较高，不利于材料的大规模合成与应用。而金属有机框架化合物（metal-organic frameworks，mofs）则为多孔碳材料的合成提供了一条新路径。mofs是一种一般以金属离子为连接点，通过有机配体连接起来构成空间三维延伸的多孔材料。mofs材料具有结构多样性、功能化程度高和设计性好等特点，并且其比表面积较高，拥有大量表面活性位点和丰富的孔结构，常具有较优异的电催化性能。通过调节金属离子与有机配体可设计mof的结构，进一步通过碳化处理可以增获得具有高比表面积、丰富多级传质孔道结构及优良导电性的碳材料^[3-5]。然而，mof衍生的纯碳材料的电催化性能仍不足，因此常与贵金属、过渡金属等金属催化剂复合制备mofs衍生的多孔碳基复合材料以进一步提高材料催化性能。

复合金、银、铂等贵金属催化剂虽然可以通过降低极化电位表现出良好的催化性能，但贵金属因其储量低、价格昂贵，导致贵金属催化剂难以大规模使用。而过渡金属具有丰度高、价格低廉、易于调控其微观结构和表面价态等优点，并具有较好的可调控的催化性能，被视为贵金属的最佳替代品^[6,7]。其中钴元素是一种被广泛研究的过渡金属元素，并且在地壳中的含量丰富，成本较低。由于钴原子d轨道的多样性，钴基氧化物催化材料具有较高的orr和oer双功能电催化活性，在电催化水分解、金属空气电池、一氧化碳还原等众多领域得到广泛研究。但其自身导电性偏低、比重较大、有效活性面积较小，阻碍了钴基催化剂性能的进一步提高及广泛应用。

2. 研究的基本内容和问题

1.zif-67的制备：改进传统高毒性的甲醇溶剂制备法，以水作为溶剂，以硝酸钴、2-甲基咪唑及十六烷基三甲基溴化铵（ctab）为原料，实现zif-67的绿色可控合成。系统研究原料配比、反应温度和ctab的剂量等因素对zif-67的产率、形貌、比表面积及孔结构特性等的影响，确定zif-67最佳工艺条件；

2.co纳米颗粒修饰的多孔碳制备（记为co nps/pc）：以制备的zif-67为前驱体，在气氛炉中，通入h₂/ar混合气，高温煅烧，将zif-67碳化的同时，实现钴纳米颗粒的原位析出。通过探究混合气配比、煅烧温度和煅烧时间等因素对材料的微观形貌、物相结构、金属载量等的影响，确定co nps/pc的合成机理及最佳制备工艺条件；

3.cop纳米颗粒修饰的多孔碳制备（记为cop nps/pc）：将合成的co nps/pc材料进行磷化处理，通过探究磷化温度和磷化时间等因素对材料相结构、微观形貌及表面缺陷等的影响，确定cop nps/pc的合成机理及最佳制备工艺条件；

3. 研究的方法与方案

研究方法：

首先制备zif-67作为前驱体，然后进行碳化还原实现钴纳米颗粒的原位析出，然后用nah₂po₂进行磷化，通过控制原料配比、反应条件确定最佳的合成工艺条件，最后对合成的cop nps/pc的电催化性能、颗粒形貌等进行表征。

具体步骤：

4. 研究创新点

[1] 李莎莎. 钴基电催化剂的结构设计, 合成及其电催化性能[d]. 太原理工大学, 2019.

[2] holladay j. d., hu j., king d. l., et al. an overview of hydrogen production technologies[j].catalysis today, 2009,139: 244-260.

[3] 孙肇兴. mof-多孔碳复合材料制备与性能的研究[d]. 中国石油大学 (北京), 2018.

5. 研究计划与进展