[发明专利]一种碳掺杂和负载金属单原子的催化剂的制备方法及其产品和应用

说明书

本发明涉及一种碳掺杂和负载金属单原子的催化剂的制备方法及其产品和应用，涉及材料制备领域。本发明以富含羟基的有机物为原料与金属盐在水溶液中反应的同时加入碳材料，反应结束后进行冷冻干燥、管式炉中进行高温处理，得到的催化剂材料能够在Pt/C的基础上提高氧还原催化性能并且能够降低成本。由于金属盐中的金属为铁、钴、镍或锰，而富含羟基的有机物在锚定金属单原子同时在溶液中易形成氢键，从而可以形成凝胶形式，在加入碳材料后能够均匀分散溶液中的金属离子，高温处理后容易形成掺杂和负载金属单原子或团簇的材料。本发明制备原料来源丰富，制备工艺简单，易操作，成本低，尤其在电催化领域具有良好的应用前景和科研价值。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种碳掺杂和负载金属单原子的催化剂的制备方法及其产品和应用。

背景技术

由于掺杂金属单原子的材料具有以下特点：活性组分的高度分散、金属利用率的大幅度提升以及活性中心与相邻配位原子相互作用，导致其中的单原子催化表现出优异的活性、稳定性和选择性，在催化领域之外的领域(例如传感等领域)也备受关注。目前，掺杂单原子材料的方法主要有以下几种：原子层沉积法、质量选择软着陆法以及湿化学法等。但现有的大多数制备掺杂单原子材料的方法都较繁琐。

在氧还原(ORR)催化领域，大多数贵金属(Pt、Pb等)都具有良好的性能，现在主流的为商业化Pt/C催化剂，但由于Pt/C催化剂含有贵金属Pt而导致整个催化剂的成本较高且易受甲醇影响。近年来，催化剂中以M-C-N(M＝Fe、Co、Ni或Mn等)为代表的非贵金属催化剂由于其具备较好的性能得以迅速发展，但非贵金属催化剂的制备往往需要高温退火，易产生团聚，从而影响催化性能，所以导致掺杂单原子催化材料的开发应用成为趋势。根据现有技术的报导，掺杂单原子材料的制备方法同样存在较为繁琐的问题，制备过程中采用的某些制备仪器也较为昂贵，且产量较低。

故需要寻求一种简便、低廉、产量高的制备方法来制备掺杂单原子催化材料成为现阶段的追求目标。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种碳掺杂和负载金属单原子的催化剂的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种碳掺杂和负载金属单原子的催化剂材料；本发明的目的之三在于提供一种碳掺杂和负载金属单原子的催化剂材料在氧还原催化中的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种碳掺杂和负载金属单原子的催化剂的制备方法，所述方法的具体步骤如下：

(1)将可溶于水的金属盐充分溶解于水中形成水溶液；

(2)将富含羟基的有机物溶解在步骤(1)所述水溶液中，加热搅拌至有机物完全溶解；

(3)将碳材料加入到步骤(2)中形成的含有有机物的溶液中，继续搅拌混合均匀后冷却至室温，离心处理，去除上清液后冷冻干燥得到中间产物；

(4)将步骤(3)中所述中间产物置于气氛炉中，以3～5℃/min的速率升温到300℃～ 500℃，保温1～2h，再以2～4℃/min的速率升温到700℃～1000℃，保温2～3h后自然降至室温，即可得到所述催化剂。

优选的，步骤(1)中所金属盐中的金属离子为M^x+，其中M为金属元素，x为金属元素的化合价；所述M^x+为Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺或Mn²⁺中的任意一种或几种。

优选的，所述富含羟基的有机物中含有的羟基与金属盐中金属的摩尔比为31：x，所述x 为金属盐中金属离子的化合价。

优选的，步骤(2)中所述富含羟基的有机物包括但不限于琼脂糖、淀粉或葡聚糖。

优选的，所述富含羟基的有机物与碳材料中含有的碳的质量比为1:1。