以ZIF-67为前驱体合成含钴金属化合物多孔纳米结构及其催化性质研究

摘要

多孔金属化合物纳米材料由于金属化合物较高的催化活性和多孔结构，具有较多的活性位点，可作为理想的催化剂。金属有机骨架(MOFs)由于独特的形貌、有序的多孔结构、含有丰富的金属元素及有机配体，可作为合成多孔金属化合物纳米材料的前驱体。人们已经利用MOFs制备了各种结构和组成的多孔金属化合物纳米材料，然而，在设计合成复杂结构和组分的多孔金属化合物方面，仍缺少普适性的方法。本论文利用ZIF-67为前驱体，合成了一系列的含钴金属化合物纳米材料，为设计合成复杂结构和组分的多孔金属化合物提供了一种较通用的方法，并研究了相关材料作为多相催化剂的性质。
　　1.含钴空心氧化铈十二面体的制备及其催化CO氧化的性质研究
　　以合成的ZIF-67纳米晶为模板，与硝酸铈在乙醇溶液中回流反应制备了含钴氧化铈空心十二面体纳米结构。该空心结构壳厚度约为33nm，由粒径3-4nm的CeO2纳米颗粒堆积而成，BET比表面积约为128m2g-1。在形成空心结构的过程中，硝酸铈水解在模板表面形成一层纳米CeO2壳，同时水解释放的H+使模板溶解。控制硝酸铈水解和ZIF-67纳米晶溶解的相对速度是获得形貌完好的空心氧化铈十二面体的关键。而且由于模板溶解释放的钴离子参与到壳的形成过程中，得到的氧化铈空心结构中含有一定量的钴元素。含钴氧化铈空心十二面体展现出良好的催化CO氧化的性质，在170℃时即可催化CO完全氧化为CO2且稳定性良好。通过对比发现良好的催化CO氧化性能可归功于空心结构、小的晶粒、氧缺陷和含有的钴元素。该工作提供了一种快速、低成本的方法合成新型空心十二面体结构的CeO2，拓宽了在温和的溶液条件下合成具有可控形貌的结晶金属氧化物的方法。
　　2.ZIF-67为前驱体合成异质结构的多金属氢氧化物/CeO2纳米笼及其OER催化性质研究
　　以合成的ZIF-67十二面体为模板，先加入硝酸铈，形成ZIF-67@CeO2核壳结构。然后将核壳结构与不同的混合金属硝酸盐在乙醇溶液中液相反应，合成了具有多孔空心十二面体结构的一系列Co基多金属(CoNi，CoFe，CoNiFe)氢氧化物/CeO2复合物。这三种复合物纳米笼很好地复制了ZIF-67模板的菱形十二面体形貌，具有夹心结构的外壳:中间为氧化铈，两边为双（多）金属氢氧化物。三种复合结构均表现了良好的OER催化性质。多孔空心结构、CeO2良好的储氧能力、较好的导电性以及CeO2与氢氧化物之间的相互作用有助于其催化性质的提升。其中含有三种金属的氢氧化物/CeO2复合空心结构由于多金属的协同作用展现出最好的OER催化性能。该工作提供了一种新颖的策略来引入氧化铈以提高氢氧化物的OER活性，并拓宽了设计合成具有更高性能的多组分空心结构的方式。
　　3.ZIF-67为前驱体合成CoF2-C多孔复合材料及其OER催化性质研究
　　利用ZIF-67纳米晶为前驱体，通过惰性气氛中热解反应，先合成含钴纳米颗粒的多孔碳(Co-C)结构，然后将其和HF反应，得到含有氟化钴纳米颗粒的多孔碳(CoF2-C)复合物。这是第一次使用MOFs为前驱体合成CoF2-C复合纳米材料，ZIF-67中的有机配体转化成的碳可以提高CoF2的导电性。对CoF2-C多孔复合结构进行了催化OER测试，发现其具有较好的OER催化性质以及良好的循环稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 MOFs为前驱体合成多孔金属化合物的研究进展

1．2．1 MOFs简介

1．2．2 MOFs为前驱体合成多孔金属化合物纳米材料的方法

1．3 多相催化

1．3．1 CO催化氧化

1．3．2 电催化氧析出反应

1．3．3 以MOFs为前驱体合成的多孔金属化合物在催化领域的应用

1．4 选题的目的意义和研究内容

参考文献

第二章 含钴空心氧化铈十二面体的制备及其催化CO氧化的性质研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 原料与试剂

2．2．2 合成方法

2．2．3 性质表征

2．2．4 催化CO氧化性质测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 空心CeO2十二面体的合成和表征

2．3．2 空心CeO2十二面体的形成机理

2．3．3 空心CeO2十二面体的催化性质

2．4 本章小结

参考文献

第三章 ZIF-67为前驱体合成异质结构的多金属氢氧化物／CeO2纳米笼及其OER催化性质研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料与试剂

3．2．2 合成方法

3．2．3 性质表征

3．2．4 电化学测试

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

参考文献

第四章 ZIF-67为前驱体合成CoF2-C多孔复合材料及其OER催化性质研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 原料与试剂

4．2．2 合成方法

4．2．3 性质表征

4．2．4 电化学测试

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

参考文献

ENGLISH SECTION

Chapter 1 Hollow CeO2 Dodecahedrons：Template Synthesis and Catalytic Performance for CO Oxidation

Chapter 2 Synthesis of Co-based multimetal hydroxide／CeO2 Dodecahedral Nanocages with Enhanced Oxygen EvolutionReaction Activity

结论与展望

致谢

攻读博士期间发表和待发表的论文