[发明专利]一种铌单原子催化剂、其制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种铌单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：将沸石咪唑框架材料ZIF‑8粉末加入到有机溶液中搅拌第一预定时间使其充分分散，得到溶液Ⅰ；在溶液Ⅰ中加入铌化合物继续搅拌第二预定时间，得到溶液Ⅱ；在溶液Ⅱ中加入表面活性剂并继续搅拌第三预定时间，而后离心烘干，得到白色的固体粉末状的前驱体材料；将前驱体材料置于惰性气氛或还原气氛中进行高温退火处理，而后得到铌单原子催化剂，其中，铌化合物和ZIF‑8粉末的质量比为0.005～0.05:1，ZIF‑8粉末与表面活性剂的质量比为1:0.5～3，步骤4中，退火处理的温度范围为800～1200℃，保温时间为1h～24h。本发明还提供了一种采用上述制备方法制备得到的铌单原子催化剂以及铌单原子催化剂在催化电池阴极中的应用。

技术领域

本发明属于材料学领域，具体涉及一种铌单原子催化剂、其制备方法及其应用。

背景技术

随着能源危机和全球变暖日益严重，开发清洁、可持续的新型能源转换和储存装置已变得非常迫切。在这些先进的能源技术中，燃料电池以其低排放、高转化效率和操作方便等优点被认为是很有前途的能源转换技术；而金属空气电池由于其能量密度高、成本低、寿命长, 是最理想的储能技术之一。然而，这些能源技术阴极的氧还原或氧析出反应动力学缓慢，已成为关键的限制步骤。因此，开发高效、耐用的电催化剂是电化学能源技术的重点研究方向之一。目前，铂基催化剂因其较高的电流密度和较低的过电位而被一致认为是最先进的催化剂材料。但铂基催化剂的耐用性差，成本高，阻碍了新型可再生能源转化和储能装置的应用。为此，人们致力于设计和合成廉价、耐用、高活性的非贵金属催化剂。

在目前研究的非贵金属催化剂中，单原子型催化剂由于其尺寸、结构效应和强大的金属-载体相互作用而表现出非凡的催化性能。在这种新型的单原子催化剂中，金属单原子与N或C配位而成为催化活性中心。尽管目前已报道许多种类的单原子催化剂，但同时获得良好的活性和稳定性仍是一个主要问题。如最常见的Fe/Co基单原子催化剂存在由于H2O2侵蚀导致活性金属位点溶解，导致其在高压条件下稳定性差。因此，进一步研究对称配位M-N-C体系中的过渡金属，对于提高电催化的效率和耐久性具有重要意义。

根据Sabatier原理，催化中心应与氧以及反应中间产物具有适当的结合能，既不太强也不太弱。因此铌属于元素周期表中第五副族 4d过渡金属，其电子结构具有从+1到+5的各种配位数。并且铌的金属d带中心在吸电子碳附近的可调性是获得催化活性和稳定性的先决条件。然而，铌作为单原子催化剂的合成及其催化活性鲜有报道。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种铌单原子催化剂、其制备方法及其应用。

本发明提供了一种铌单原子催化剂的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤1，将沸石咪唑框架材料ZIF-8粉末加入到有机溶液中搅拌第一预定时间使其充分分散，得到溶液Ⅰ；步骤2，在溶液Ⅰ中加入铌化合物继续搅拌第二预定时间，得到溶液Ⅱ；步骤3，在溶液Ⅱ中加入表面活性剂并继续搅拌第三预定时间，而后离心烘干，得到白色的固体粉末状的前驱体材料；步骤4，将前驱体材料置于惰性气氛或还原气氛中进行高温退火处理，而后得到铌单原子催化剂，其中，铌化合物和ZIF-8粉末的质量比为0.005～0.05:1，ZIF-8 粉末与表面活性剂的质量比为1:0.5～3，步骤4中，退火处理的温度范围为800～1200℃，保温时间为1h～24h。

在本发明提供的铌单原子催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中的有机溶液为甲醇、乙醇、N-N二甲基甲酰胺DMF以及N-N二甲基乙酰胺DEF中的一种，第一预定时间为 1～10h。

在本发明提供的铌单原子催化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中的铌化合物为五氯化铌、五氟化铌以及乙醇铌中的一种，第二预定时间为1～10h。