[发明专利]多孔氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多孔氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂的制备方法；该制备方法包括：将氯化钠、柠檬酸、尿素、水和过渡金属氯盐混合均匀，制得混合溶液；而后将其依次进行冷冻处理和冷冻干燥，制得盐模板前驱体粉末；再将盐模板前驱体粉末在惰性气氛保护下进行热解处理。以上制备方法采用原料廉价，且氯化钠可回收，绿色无污染，生产成本低；操作简单，通用性强，适合工业化应用；所制得多孔氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂上过渡金属单原子具有良好分散性，无团簇或纳米粒子出现；产品多孔氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂具有较正的半坡电位、良好的抗甲醇性能和稳定性，电催化氧还原性能优异。

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，尤其是涉及一种多孔氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂及制备方法和应用。

背景技术

由于能源短缺和环境恶化问题日益突出，开发可持续的能源转换和储存技术，如电解水电解池、燃料电池、金属空气电池，引起众多研究者们的广泛关注。其中，阴极氧还原反应(ORR)的迟缓动力学是决定这些器件整体能量转换效率的关键因素。目前，商业化铂基催化剂(如Pt/C)已经被证明具有优异的电化学氧还原活性，然而，其成本高昂，Pt资源稀缺，并且抗甲醇性能和稳定性较差，极大限制了其工业化的生产。由于过渡金属氮化物、碳化物、硫族化合物、杂原子掺杂碳材料等成本低廉，资源丰富，并且具备良好的导电性，及可调控的电子结构而备受关注。因此，在过去的几年中，研究人员一直致力于探索此类ORR电催化剂来代替贵金属催化剂，然而其氧还原性能仍不如人意。

过渡金属单原子催化剂(SACs)是近年来新兴的一类具有高活性、高稳定性和高选择性的新型催化材料，在氧化物、氮还原多种催化体系中具有巨大的应用潜力。其独特的电子结构，最大限度的原子利用效率，以及活性中心的不饱和配位环境有助于提高催化剂的性能。目前,研究人员大多通过原子层沉积法、低温还原法或空间限域法来制备，但是这些方法复杂且繁琐，原材料成本高、对设备或环境要求高，不适宜大规模生产制备。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种多孔氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂及制备方法和应用。

本发明的第一方面，提出了一种多孔氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、将氯化钠、柠檬酸、尿素、水和过渡金属氯盐混合均匀，制得混合溶液；

S2、将所述混合溶液进行冷冻处理，而后进行冷冻干燥，制得盐模板前驱体粉末；

S3、将所述盐模板前驱体粉末在惰性气氛保护下进行热解处理。

根据本发明实施例的多孔氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂的制备方法，至少具有以下有益效果：该制备方法结合盐模板辅助法，以氯化钠为盐模板，柠檬酸为碳源，尿素为氮源，以过渡金属氯盐为金属源，和溶剂水混合制备混合溶液；而后将混合溶液快速冷冻，随后进行冷冻干燥制得盐模板前驱体粉末，以使各组分均匀分散，不产生元素的偏析；再将盐模板前驱体粉末在惰性气氛保护下进行热解处理，合成多孔氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂。以上制备方法中采用原料氯化钠、柠檬酸、尿素均为廉价工业原料，且氯化钠可回收，绿色无污染，生产成本低；操作简单，通用性强，适合工业化应用。所制得多孔氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂具有二维多孔片状结构，具有大比表面积，可提供丰富的活性位点，提高催化剂的催化性能；过渡金属单原子与碳载体(多孔氮掺杂碳纳米片)之间具有强相互作用，使过渡金属单原子具有良好的分散性，无团簇或纳米粒子出现；产品多孔氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂具有较正的半坡电位、良好的抗甲醇性能和稳定性，电催化氧还原性能优异。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述过渡金属氯盐选自CoCl₂、FeCl₃、NiCl₂、CuCl₂中的至少一种。混合过程可通过搅拌充分混合，搅拌混合时间可控制1～24h。