[发明专利]一种高金属负载效率的镍氮共掺杂炭基催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种高金属负载效率的镍氮共掺杂炭基催化剂的制备方法及其应用，涉及催化剂制备技术领域。该催化剂以一种超亲水炭材料作为载体，低金属负载量下可以实现近100％的负载效率。在25℃水汽吸附测试中，亲水炭的水汽吸附量为302cm³g^‑1(P/P₀＝0.4)，证明其较强的表面极性。利用炭材料表面丰富的极性位点对镍离子的强锚定作用，显著提高了镍的分散性和负载效率。所述制备方法包括如下步骤：(1)热解铜和联吡啶的配合物得到超亲水炭材料；(2)通过浸渍负载镍活性组分，经过热解、酸洗、二次热解得到镍氮共掺杂炭基催化剂。此外，该催化剂存在一定数目极性位点增强质子传导，将其应用于电催化CO₂还原制备CO，具有较高的活性、选择性和稳定性。

技术领域

本发明涉及催化剂制备技术领域，具体涉及一种高金属负载效率的镍氮共掺杂炭基催化剂的制备方法及其应用，适用于电催化CO₂还原制备CO，以及其它包含质子-电子耦合转移步骤的电催化反应中。

背景技术

由于化石能源的大量开发和使用，2021年大气中的二氧化碳(CO₂)含量达到了前所未有的浓度(419ppm)，不断升高的温室气体含量会给自然环境带来难以逆转的破坏。为了响应国际社会一致提出的“碳中和”战略，大力发展CO₂转化技术势在必行。在当前较为流行的转化策略中，利用可再生清洁能源如风能、太阳能等间歇性能源驱动电催化CO₂还原制备含碳化学品，具有条件温和、环保及易规模化等优势。通过电化学还原反应可以将CO₂还原为一氧化碳(CO)、甲酸(HCOOH)、乙醇等(CH₃CH₂OH)等产物。在工业上，CO可以作为一种原料气，用于生产包括合成气和脂肪醛等多种化学品，因此电催化CO₂制备CO具备广阔的经济前景。

近年来，炭基催化剂由于具有比表面积高、导电性好和孔结构可调等优点，受到广泛关注。尤其是过渡金属如镍、铁或钴等与氮共掺杂的炭基催化剂展现出优异的电催化CO₂还原制备CO性能。如公开号为CN111686780A专利公开了一种用于二氧化碳电还原的金属-氮-碳催化剂及其制备方法，具体地，将镍-氮-碳单位点负载到碳基纳米笼的表面作为活性相，用于高效电催化CO₂还原制备CO。在该专利中，镍前驱体的用量相对炭载体为37.5wt.％，而催化剂中镍的负载量仅为2wt.％，金属负载效率仅为5.3％。

对目前已经发表的文献或者专利结果进行统计发现：由于炭材料表面往往比较惰性，在制备负载型金属和氮共掺杂的炭基催化剂过程中，往往需要较高的金属前驱盐用量才能保证最终制备的金属-氮-碳催化剂中含有足够的活性位点，大量的金属在经过热解、酸浸等处理步骤中被损失，损失率可达90％，造成资源浪费和环境破坏。因此高效率地制备金属和氮共掺杂炭基催化剂用于电催化CO₂还原仍然是一个挑战。此外，对于金属-氮-碳催化剂来说，经由电解液/电极界面传导的质子在反应过程中的转移速率较为缓慢。因此，开发一种增强质子传导的炭基催化剂也是需要深入研究的问题。

发明内容

为了解决当前负载型金属-氮-碳催化剂在制备方面存在的技术挑战以及进一步提高电催化性能，本发明旨在提供一种高金属负载效率的镍氮共掺杂炭基催化剂的制备方法及其应用。可发展成一种通用的制备方法，利用超亲水炭材料表面的极性位点与金属离子之间强的亲和力，促进金属分散性、显著提高制备过程中金属的负载效率。同时，所述催化剂表面存在局部极性位点可增强反应过程中的质子传导和气体供给，实现高效电催化CO₂还原。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高金属负载效率的镍氮共掺杂炭基催化剂的制备方法，包括如下步骤：配制镍的配合物溶液，以超亲水炭材料为载体，通过等体积浸渍的方法，将活性镍组分负载在炭材料上；经过惰性气氛中热解、酸洗、二次热解，得到所述的镍氮共掺杂炭基催化剂；