[发明专利]一种铁单原子催化剂及其制备方法和在电解水析氧反应中的应用

说明书

本发明提供了一种铁单原子催化剂及其制备方法和在电解水析氧反应中的应用；所述催化剂以Fe原子为金属中心，以多孔碳P‑C为衬底；所述金属中心和衬底之间通过配位的氧连接。本发明提供的催化剂中铁原子均匀地、单分散地负载在多孔碳P‑C上，铁单原子中心与最近邻六个氧配位，再通过氧与多孔碳P‑C相连，形成了Fe‑O‑C化学键，有利于反应过程中的电荷转移，在反应过程中由+3价铁转变成高价铁(Fe⁴⁺)，降低了反应势垒，加快了析氧的动力学过程，表现出了优于商用析氧催化剂氧化铱的催化活性，且具有较好的稳定性。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，尤其涉及一种铁单原子催化剂及其制备方法和在电解水析氧反应中的应用。

背景技术

随着化石能源的枯竭和环境问题的加剧，发展清洁、高效、可再生的能量转换和储存系统具有重要意义。由可再生的电能驱动的电催化水解反应是其中一类重要反应。一方面通过水解反应可以得到清洁高效的氢气能源；另一方面，水解反应中阳极半反应的析氧反应，也是如二氧化碳电还原、电化学合成氨、氧还原等其他电化学催化反应的半反应。在这些电催化反应过程中，往往是相对来说动力学更缓慢的阳极反应部分限制了总反应的效率。因此发展高效的电化学析氧催化剂是研究关注的重点。目前最高效的电催化析氧催化剂主要是以氧化铱和氧化钌一类的贵金属催化剂为代表。但是由于贵金属储量少、价格高，其大规模的生产和应用受到了限制。因而过渡金属氧化物、氢氧化物、硫化物、硒化物等多种非贵金属催化剂被相继开发和研究，期望得到与贵金属催化剂相媲美的催化活性和稳定性。铁在地壳中分布广泛、储量丰富，并且具有丰富的衍生物，是理想的替代性元素。

单原子催化剂是一类将单个金属原子分散地生长在衬底上的催化剂，由于其单分散的金属中心以及金属中心与衬底之间的相互作用，单原子催化剂具有最大原子利用率和独特的电子结构特征。通过调节单原子催化剂金属中心的化学态和配位环境，影响了该活性中心对反应中间产物的吸附强度和结合位点，从而改变其催化活性和选择性。因而单原子催化剂在催化机理研究和高效催化性能方面有着充分的优势。目前的单原子催化剂合成方法普遍还没有实现单原子的电子结构的可控调节。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Fe₁(OH)_x/P-C单原子催化剂及其制备方法和应用，该催化剂具有较高的析氧反应催化活性。

本发明提供了一种Fe₁(OH)_x/P-C单原子催化剂，其特征在于，所述催化剂以Fe原子为金属中心，以多孔碳P-C为衬底；

所述金属中心和衬底之间通过配位的氧连接，活性中心在析氧反应中呈+4价。

优选地，所述Fe原子与多孔碳P-C的质量比为0.7～1.0:95～105。

本发明提供了一种上述技术方案所述Fe₁(OH)_x/P-C单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

在包含铁盐的电解质溶液中，采用三电极体系进行电化学沉积，以多孔碳P-C作为工作电极，在电压1.3～1.8V，扫速5mV/s下用线性伏安法进行电化学沉积4～6次，使铁原子单分散地、均匀地沉积到多孔碳P-C上，得到Fe₁(OH)_x/P-C单原子催化剂。

优选地，所述铁盐为三氯化铁；

所述电解质溶液中还包括氢氧化钾和水；

所述氢氧化钾的质量和水的体积比为(55～57)mg:(0.9～1.1)mL；

所述氢氧化钾和三氯化铁的质量比为55～57:0.01～0.02。

优选地，所述多孔碳P-C按照以下方法制得：