[发明专利]一种氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂及其制备方法和应用，在ZIFs的合成过程中巧妙的原位引入氧化石墨烯，制备得到的ZIFs颗粒不易团聚，再以ZIF‑8/GO为前驱体，吸附过渡金属离子后焙烧，在热解过程中，Zn挥发而金属替代Zn与N配位，形成氮掺杂多孔碳负载的过渡金属单原子和单质纳米颗粒；金属纳米颗粒与金属单原子形成过渡金属NPs/SAs双活性位型催化剂；催化剂能够在较正的电位下，实现较宽范围的组成比例精确调控的合成气产物，催化活性高。

技术领域

本发明涉及电催化剂技术领域，尤其涉及一种氮杂多孔碳负载的过渡金属纳米颗粒/金属单原子(Nanoparticles/Single atoms,NPs/SAs)双活性位型电催化剂及其制备方法和在电催化CO₂还原产合成气中的应用。

背景技术

温室气体排放导致全球气候变暖，已成为人类发展面临的重大危机，采取有效措施控制以CO₂为主的温室气体排放刻不容缓。电催化还原CO₂技术不仅能够减少碳排放，又能在电催化作用下将CO₂转化为具有高附加值的化学产品，实现CO₂资源化利用。该技术所需的电能可直接从太阳能、风能等可再生能源中获取，是一种将绿色能源转化为化学能的高效储能方式。但由于CO₂分子是碳原子与氧原子sp杂化成键，分子成线性对称结构，键长短键能高，采用电催化还原时难以活化、反应过电势高。研究表明，Au、Ag、Pd、Pt等贵金属具有较高的CO₂催化活性，但由于其价格贵、资源稀缺，不利于大规模应用；且水溶液中电催化还原CO₂产甲酸、甲醇及C2+及以上液体产物也存在着产物分离困难，选择性差等问题，因此开发非贵金属催化剂电催化还原CO₂产合成气对推动CO₂电化学还原技术应用具有重要意义和实用价值。

合成气，即H₂和CO的混合气，是石油化工领域重要的合成原料，可用于费托合成或生产甲醇、乙醇等化工产品。不同的化工过程中，所需要的合成气的最优组成比例不同。传统制备合成气的方法包括煤的气化和天然气重整，均需消耗不可再生能源，与绿色化学的概念不符。利用CO₂和H₂O作为原料，在水溶液中电还原CO₂，是可持续地制备合成气的理想方法，但当前电还原CO₂的催化剂很难在保证高电流密度的同时，实现宽范围调控合成气组成比例。此外，降低阴极电催化剂成本，也是亟需解决的问题。

氮掺杂多孔碳负载的过渡金属催化剂(M-N-C，M＝Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn等)，价格低廉，具有CO₂电催化还原活性，成为最具潜力的贵金属催化剂替代品之一。现有的以过渡金属掺杂的ZIF-8为前躯体通过碳化制备的M-N-C材料，ZIFs纳米颗粒容易团聚，粒径大，从而不利于过渡金属的高度分散，易导致金属在制备过程中团聚，且ZIF-8稳定性差。例如，中国专利CN110724272中，制备Fe掺杂的ZIF-8所需温度在40～100℃，ZIFs粒径为50～250nm。

发明内容

本发明针对电催化还原CO₂产合成气应用过程中存在过电位高、选择性差、难以精准调控合成气组成比例等问题，提供一种氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂及其制备方法和应用，利用简单易操作的合成方法，制备了氮掺杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂，催化剂分散性好，该催化剂作为阴极材料能电催化还原CO₂和H₂O生成合成气产物，在宽电势范围内，调节合成气组成比例，获得较大的电流密度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂的制备方法，包括以下步骤：