[发明专利]一种单分散Co基双原子催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳纸为载体Co基双原子(Co‑M/C)催化剂的制备方法，所述方法首先在碳纸上聚合形成聚苯胺，然后再负载Co单原子，之后在通过化学气相沉积形成Co‑M/C双原子催化剂。该方法简单有效，具有通用性。且该催化剂表现出优异的电解水制氢活性。

技术领域

本发明属于催化剂制备和应用领域，具体而言，涉及一种碳载单分散Co基双原子催化剂(Co-M/C)及其制备方法和在电解水制氢反应中的应用，更具体地，根据本发明的碳载单分散Co基双原子催化剂利用电镀法以及化学气相沉积法在碳载体上负载单分散的Co基双原子(Co-M/C)材料，得到所述催化剂。

背景技术

氢能作为一种能量密度高、环境友好和可再生的清洁能源被认为是可替代传统化石类能源的最理想选择。目前，工业上有三条主要的制氢途径：蒸汽甲烷重整，煤气化和水电解制氢。其中，蒸汽甲烷重整和煤气化产生的氢气占95％以上，而只有4％的氢气是由水电解产生的。当前的氢气生产非常依赖化石燃料，且基于化石燃料的制氢技术不能从根本上解决污染和二氧化碳排放问题。因此发展电解水制氢具有极其重要的现实意义。然而电解水制氢目前商用的催化剂贵金属Pt成本高、地壳含量低，因此研究开发价格低廉的电解水制氢催化剂，势在必行。低成本的过渡金属单原子Co/Mo/W催化剂已被认为可以作为良好的电解水制氢催化剂，且显示出良好的反应活性。然而，单原子催化剂的反应活性位点单一，且没有相邻活性位点。而两个相邻的活性位点对于促进析氢的Tafel反应(H^*+H^*→H₂)是必不可少的。具有单一活性位点的单原子催化剂难以满足这一要求。而具有双原子结构的催化剂不仅有望创造高密度的析氢活性位点，而且有望通过调节金属d带中心，从而调节活性位点对H的吸附能力，继而促进析氢反应的发生。因此，我们基于对析氢反应活性位点的精准设计，考虑采用具有双原子结构的催化剂进行电解水析氢。

中国专利申请CN111841641A公开了一种氮杂环卡宾修饰镍铱双原子碳基催化剂的制备方法及应用。该发明包括：将柠檬酸钠和柠檬酸钾热解制得多孔碳材料，与硝酸镍、硝酸铱、葡萄糖和去离子水混合超声处理后，与三聚氰胺在氮气环境下煅烧；将得到的镍铱双原子碳基材料与油酸、油胺、1,2-十六烷二醇加入1-十八烯溶液中加热反应，得到油胺修饰的镍铱双原子碳基材料；进一步与氮杂环卡宾分子反应，制得氮杂环卡宾修饰镍铱双原子碳基催化剂。虽然该催化剂具有多孔结构发达、比表面积大、吡啶氮及吡咯氮含量高、导电性强等优点，但制备工艺复杂，例如硝酸铱等的原料本身价格昂贵，仍然不适合大规模工业化生产。

中国专利申请CN109772411A公开了一种非贵金属双原子电催化剂及其制备方法和应用。催化剂中含有以下质量份数的组分：W：1～7份，Mo：1～7份，C：79～81份，N：4～6份，O：6～8份。该发明以钨酸钠和钼酸铵为金属前驱体，与具有丰富含氧官能团的石墨烯进行水热自组装，随后进行冷冻干燥，最后在氨气/氩气气氛下，通过化学气相沉积方法制备了通过氧原子锚定在氮掺杂石墨烯相互作用W/Mo双原子电催化剂。该催化剂制备过程较为繁琐，对实验条件的要求较高。

中国专利申请CN111659423A公开了钴碲双原子位点催化剂的制备方法及应用方法。该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，需要用到金属有机框架材料(ZIF-8)等原料，并且前驱体为Te粉和乙酰丙酮钴/四苯基卟啉钴/维生素B12/硝酸钴等，这些原料成本高，且往往具有一定毒性，对操作设备和环境都提出较高要求。

中国专利申请CN111185176A公开了一种Ni-Fe双原子电催化剂及其制备方法和应用。其采用金属镍前驱体和金属铁前驱体与氧化石墨烯进行吸附和水热自组装，通过两步化学气相沉积制备而成的氮/氧原子锚定的Ni-Fe双原子电催化剂。该催化剂制备过程复杂，且不具备通用性。

因此仍然需要开发更经济廉价且催化性能稳定的双原子催化剂产品。

发明内容