[发明专利]一种钴碲双原子位点催化剂的制备方法及应用方法

说明书

本发明涉及一种钴碲双原子位点催化剂的制备方法及应用方法，所述方法包括如下步骤：该催化剂的制备采用空间限域‑刻蚀‑热解策略，包含三个步骤：(1)利用金属有机框架材料(ZIF‑8)的分子孔道作为“笼子”封装和锚定Te前驱体，实现其均匀的空间分布；(2)利用金属前驱体对框架材料进行刻蚀和离子交换，实现金属前驱体的原子级分散；(3)利用高温热解方法处理移除配体并碳化，通过衍生的碳氮框架材料稳定Co、Te原子，防止其迁移团聚，从而实现Co/Te双原子位点催化剂的合成；其中所述前驱体为Te粉和乙酰丙酮钴/四苯基卟啉钴/维生素B12/硝酸钴。该方法工艺简单，条件温和，所得Co/Te双原子位点催化剂具有丰富的微/介孔结构，比表面积大于1000m²/g，且活性位点呈原子性分散，能够表现出优异的电催化制氢和氧还原性能，可作为高效的电解(海)水和金属‑空气电池催化剂。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，涉及一种钴碲双原子位点催化剂的制备方法及其在电解水制氢与氧还原反应中的应用。

背景技术

电化学氧还原反应(ORR)和析氢反应(HER)是燃料电池、水分解和金属空气电池的两个关键组成部分。探索高效、低成本的电催化剂，用于促进ORR及HER反应动力学以提高其效率，对可再生能源技术具有重要的应用前景。贵金属铂基催化剂是目前公认的催化氧还原反应(ORR)和析氢反应(HER)的优良电催化剂，但其储量少、成本高，严重制约了其大规模应用。近年来，过渡金属(Fe、Co、Ni、Mo和W)基催化剂因其良好的电催化性能而被广泛研究。为了进一步提高催化剂的催化性能，一种常见的策略是将催化剂尺寸缩小以产生更多暴露的活性中心。

单原子催化剂有最大原子利用率和最多暴露的活性位，并表现出优异的催化性能，近年来在多相催化中引起广泛关注。其中钴单原子催化剂已经成为现在的研究热点，例如，Yin等人(Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,10800–10805)利用锌钴双金属MOF作为前驱体，通过自上而下策略，在高温惰性气氛下，Co²⁺被周围石墨化的C逐渐还原，Zn²⁺在高于其沸点的温度下挥发，从而制备出高载量的Co单原子活性位点催化剂，其表现出优异的催化活性和稳定性。

基于单原子催化剂，若想进一步提升催化活性，一方面可以探寻不同的金属中心原子对于催化性能的影响；另一方面可以通过整合多种金属形成双原子或多原子来实现对于整体催化活性的提升，在这些情况下，某种单原子可能不会直接参与反应过程，而主要作为辅助物种来优化其他单原子的电子结构和配位结构。研究表明，双原子的协同作用不仅提高了催化活性，而且有利于提高稳定性；此外，引入多个孤立的金属原子还可以扩展应用范围。因此，双金属活性中心的设计和不同单原子之间协同效应的研究是未来的研究方向。

发明内容

鉴于现有的单原子催化剂的上述缺陷，本发明的目的之一是提供一种具有优异的电催化制氢及氧还原性能双原子位点电催化剂的制备方法以及应用方法，。

本发明的技术方案如下：

本发明之一是提供一种钴碲双原子位点催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将Te粉、硝酸锌的混合溶液与有机配体溶液混合搅拌，经离心干燥得到固体粉末；

(2)将步骤(1)中的固体粉末与金属前驱体溶液混合搅拌进行刻蚀和离子交换，经离心干燥得到固体粉末；所述金属前驱体为乙酰丙酮钴(C₁₀H₁₄CoO₄)、四苯基卟啉钴(C₄₄H₂₈CoN₄)、维生素B12(C₆₃H₈₈CoN₁₄O₁₄P)和硝酸钴(Co(NO₃)₂·6H₂O)中任一种；