[发明专利]一种用于氧还原的吡咯衍生的单原子铁基氮碳材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种单原子铁基氮碳材料的通用制备方法及其作为氧还原反应催化剂材料的应用。首先，将铁源化合物与锌源化合物溶于亲水性溶液中，加入吡咯单体，进行一定时间的剧烈搅拌形成混合均一的溶液，结束后产物经去离子水和乙二醇离心洗涤数次，干燥后得到的产物再通过煅烧得到最终产物。本发明的优点在于：操作简单，成本低廉，反应条件温和，整个反应在常温常压下进行且无需额外的酸洗过程，产物尺寸形貌均匀分散性好，且没有发现金属颗粒发生团聚。用作氧还原反应催化剂具有高导电性，丰富的活性位点，以及优异的电催化活性能，是一种具有广泛商业化应用前景的理想氧还原反应催化材料。

技术领域

本发明属于单原子材料领域，特别涉及一种基于吡咯聚合的铁单原子材料的制备。

背景技术

随着人类社会的不断发展，传统的化石能源因过度使用而日渐枯竭，由此造成的环境污染问题也日益严重，人们逐渐意识到发展可持续新能源和高效能源转换技术的重要性。在这些新型装置中，燃料电池以及可充放电的金属—空气电池是两种备受关注的方式，但受限于贵金属催化剂的价格高昂，一直未能实现规模化推广应用。因此，发展经济高效的氧还原催化剂，成为了推动燃料电池和金属—空气电池实用化、规模化的重点所在。

非贵金属催化剂不仅可以降低催化剂的成本，还可以保持较高的稳定性。在实际的燃料电池测试中，氮掺杂碳材料展示出了比Pt基催化剂更优异的催化活性和稳定性。在此基础上，含氮碳材料表面掺杂金属单原子(M-NC)可以进一步提高材料的催化活性，比如活性位点为MN₄的催化剂。其中，Fe-NC在电催化氧还原方面展现出优异的催化性能(Angew.Chem.Int.Ed，50(2011)11765-11768)。

单原子催化剂是近年来在催化领域崭露头角的一颗新星，它的原子利用率高，活性位点分布均匀，电子结构可调节，具有很高的电催化活性和选择性。但是由于原子级别的金属物种易于发生迁移和团聚，因此制备单原子分散的金属物种仍然是一个巨大的挑战。

目前国际上通常借助模版或者基底来分散金属原子，比如二氧化硅模版，石墨烯基底以及金属有机框架结构。但是最终大多都需要进行酸洗步骤来去除模版，从而降低了材料的催化活性。在此选用吡咯聚合的方式，使铁原子在吡咯聚合的过程中原位聚合到聚吡咯上，再通过简单的煅烧得到单原子铁基氮碳材料，与传统方式相比，合成工艺简单，材料性能高，对环境友好。

发明内容

本发明的目的就是为了合成具有高稳定性、高催化性能的单原子铁基氮碳材料从而解决了现有催化剂存在的金属原子易团聚、电流密度低，稳定性差，制备工艺复杂的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

向亲水性溶液中加入铁源化合物和锌源化合物，得到一定浓度的金属有机溶液；

向步骤1中的混合体系加入聚合物单体；

步骤2中的混合体系搅拌反应一定的时间得到反应产物，将产物经洗涤，干燥，制得含有金属的聚合物；

将步骤3得到的产物在一定温度下煅烧一定时间，自然冷却至室温后制得单原子铁基氮碳材料。

进一步地，步骤1所述的亲水性溶液包括去离子水，甲醇，乙醇，乙二醇，丙三醇，二甲基甲酰胺，吡啶，哌啶，四氢呋喃等一种或者多种混合溶液。

进一步地，步骤1所述的铁源化合物包括硝酸铁，硝酸亚铁，氯化铁，氯化亚铁，草酸亚铁，硫酸铁，硫酸亚铁等一种或者多种混合盐。

进一步地，步骤1所述的锌源化合物包括硝酸锌，氯化锌，草酸锌，硫酸锌等一种或者多种混合盐。

进一步地，步骤1所述的金属有机溶液的浓度为0.01～10mol/L。

进一步地，步骤2所述的聚合物单体包括吡咯，苯胺，对苯二胺，间苯二胺，邻苯二胺等一种或者多种混合物。