[发明专利]一种碳气凝胶单金属原子催化剂的制备方法及电催化应用有效

专利信息
申请号: 201911095062.4 申请日: 2019-11-11
公开(公告)号: CN110993968B 公开(公告)日: 2020-12-08
发明(设计)人: 张翼;何庭;陈阳;王勇 申请(专利权)人: 中南大学
主分类号: H01M4/90 分类号: H01M4/90;H01M12/08
代理公司: 北京轻创知识产权代理有限公司 11212 代理人: 王欢
地址: 410000 湖南*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 一种 凝胶 金属 原子 催化剂 制备 方法 电催化 应用
【说明书】:

发明公开了一种碳气凝胶单金属原子催化剂的制备方法及电催化应用,该气凝胶以壳聚糖杂合水凝胶为前驱体,在杂合水凝胶中,利用二氧化硅纳米粒子作为制孔剂,二价铁和邻二氮菲的络合物作为铁源和氮源,经过冻干、煅烧和酸洗获得均匀负载有铁单原子的碳气凝胶,同时由于该碳气凝胶具有较高的导电性,丰富的孔结构和活泼的单金属位点,在碱性条件下表现出优异的氧气还原(ORR)和氧气生成(OER)电催化活性,而由于ORR和OER的过电位差小和所组装的锌空电池性能优于商用的Pt/C和RuO2电催化剂,因此本发明制备的催化剂在能源的存储和转化技术中具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种能源存储与转化的技术领域,尤其是一种碳气凝胶单金属原子催化剂的制备方法及电催化应用。

背景技术

全球气候变化和环境污染刺激了可持续清洁能源存储和转化技术的发展,其中,金属空气电池由于高的能量密度和环境友好性备受关注。金属空气电池的充放电过程总效率主要由两个反应决定,氧气还原反应(ORR)和氧气生成反应(OER)。虽然铂族金属材料,像Pt/C,RuO2和Ir/C,具有优异的ORR或者OER催化活性,但是这些材料储量稀缺,价格昂贵,严重阻碍了其大规模应用。另外,这些贵金属材料中,没有一种能够同时表现出优异的ORR和OER催化性能。因此,开发价格低廉且高活性的氧气双功能催化剂具有重大的基础研究和技术研究意义,同时也存在极大的挑战。

近期研究表明基于碳材料的非铂族金属催化剂,比如杂原子掺杂的气孔碳,被认为是最有前景的双功能氧气催化剂。其中,过渡金属可修饰的3d电子轨道导致其表现出特殊的化学性质,因此,过渡金属掺杂的碳催化剂被广泛研究。相比于纳米粒子和纳米簇催化剂,基于过渡金属的单原子催化剂具有低的配位数和高的原子利用率,在催化部分电化学反应中表现出绝对的优势。现今报道的合成单金属原子催化剂的方法有:热解金属有机框架前驱体,原子化金属纳米粒子和化学气相沉积等。例如,Zhi等人报道了一种将Fe-Nx位点单分散在二维氮掺杂气孔碳层的策略来制备超高ORR/OER活性的电催化剂。然而,开发一种弹性策略来合理地设计单金属原子催化剂在合成高性能金属空气电池催化剂中具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种由超分子水凝胶为前驱体来合成高性能的单金属原子负载的碳气凝胶催化剂的一种碳气凝胶单金属原子催化剂的制备方法及电催化应用,其利用可再生生物质来制备新型有序气孔碳结构是一种相对全新的领域,其应用范围广,成本低廉。水凝胶是由三维聚合物网络构成,可作为一种反应器来合成一些功能材料。水凝胶链上的功能性片段可以同时作为螯合剂和包覆剂来稳定金属活性位点。

为了实现上述目的,本发明所设计的一种碳气凝胶单金属原子催化剂的制备方法,采用生物质水凝胶为前驱体来合成单金属原子负载的碳气凝胶单金属原子催化剂,其具体包括以下步骤:

S100、生物质水凝胶的合成:根据预定配方,壳聚糖:二氧化硅纳米粒子:醋酸溶液:氨水溶液:铁-邻二氮菲络合物:醋酸锌溶液=60mg:40mg:2.56mL:90μL:200μL:80μL;将壳聚糖和二氧化硅纳米粒子于螺口瓶中,加入到醋酸溶液中,进行搅拌80~90min,然后加入氨水溶液中进行调节体系pH至7.0,在搅拌下向体系中慢慢加入铁-邻二氮菲络合物和醋酸锌溶液,然后超声处理5~8min后得到水凝胶,并将制备水凝胶的命名为CSSi-Zn/FePM;

S200、铁单原子/氮掺杂碳气凝胶的合成:将步骤S100合成的CSSi-Zn/FePM水凝胶经过冷冻干燥后,以5℃min-1~6℃min-1的速率,并在含3%H2的Ar气氛下加热到900℃,进行保温3h~4h,随后经过HF溶液浸泡2h后除去SiO2纳米粒子后,最终得到铁原子负载的氮掺杂碳气凝胶,即为碳气凝胶单金属原子催化剂,并将其命名为NCAC-Zn/Fe,其中所述HF溶液浸泡与壳聚糖:二氧化硅纳米粒的比例是4.0mL:60mg:40mg。

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