[发明专利]铁单原子掺杂碳材料负载金属纳米簇复合催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种铁单原子掺杂碳材料负载金属纳米簇复合催化剂及其制备方法与应用。该制备方法包括：获取多孔导电载体上负载有铁掺杂碳前驱体的基底材料；将金属纳米簇负载到基底材料上，然后进行高温热解到所述铁单原子掺杂碳材料负载金属纳米簇复合催化剂。所述催化剂为包括多孔导电载体、铁单原子掺杂碳材料和金属纳米簇的复合材料。铁单原子掺杂碳材料负载金属纳米簇复合催化剂用于催化电解水阴极析氢反应和阳极析氧反应中的至少一者。本发明提供的铁单原子掺杂碳材料负载金属纳米簇复合催化剂催化活性高、稳定性好、合成方法简单。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种铁单原子掺杂碳材料负载金属纳米簇复合催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

氢能作为高效清洁的可再生能源，制氢技术逐渐成为世界性研究热点。电解水制氢是一种清洁、高效、原料充足、可持续的新能源技术，是解决当前能源问题和环境问题的有效途径。但水分解反应涉及到的两个半反应，因其缓慢的反应动力学使水分解反应难以进行困难，极大地限制了电解水制氢技术的工业化。在电解池的阴、阳极上涂覆催化剂可以降低析氢反应(HER)以及析氧反应(OER)的过电位，降低电解水所需电压，有效提高电解水效率，促进电解水反应进行。因此，设计开发出一种高效、稳定、低成本的电解水催化剂已成为当前科学研究的焦点之一。

已经研究报道的全解水电催化剂可分为贵金属催化剂和非贵金属催化剂。目前，贵金属催化剂性能最好的主要是Pt系催化剂，如Pt/NiO@Ni/NF、Pt@DNA–GC；非贵金属催化剂主要是过渡金属和磷、硫、硼、碳、氮等组成的催化剂，如Fe-N-C、NiFe₂O₄@MOF-74等。这些催化剂能有效降低电解水反应的过电势，但催化材料制备过程较为繁琐，条件苛刻，而且仍需要进一步提催化剂自身反应稳定性。

因此，开发一种制备过程简单便捷，催化性能优异，反应过程稳定的电解水催化剂仍然是本领域亟待解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种催化活性高、稳定性好、合成方法简单的电催化全解水催化剂及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种铁单原子掺杂碳材料负载金属纳米簇复合催化剂的制备方法，该方法包括：

获取多孔导电载体上负载有铁掺杂碳前驱体的基底材料；

将金属纳米簇负载到基底材料上，然后进行高温热解到所述铁单原子掺杂碳材料负载金属纳米簇复合催化剂。

上述制备方法将金属纳米簇负载到特殊的基底材料(多孔导电载体上负载有铁掺杂碳前驱体的基底材料，其为同时含有铁、碳元素的自支撑催化剂基底)，经过高温热解，得到了以多孔导电载体为基底、以铁单原子掺杂碳材料负载的金属纳米簇为负载组分的特殊的催化剂材料。这种催化剂材料能够有效作为电催化全解水催化剂使用。

上述制备方法中，金属纳米簇负载到特殊的基底材料(多孔导电载体上负载有铁掺杂碳前驱体的基底材料，其为同时含有铁、碳元素的自支撑催化剂基底)经过高温热解后，金属纳米簇表面起到稳定作用的铁掺杂碳前驱体被碳化，能够高度地将金属纳米簇分散在碳材料中，在较佳实施方式中平均粒径在3-6nm左右，实现金属元素较高的利用效率。

在上述制备方法中，优选地，金属纳米簇包括Au纳米簇、Pt纳米簇、Pd纳米簇、Ag纳米簇和Cu纳米簇等中的一种或两种以上的组合。

在上述制备方法中，优选地，金属纳米簇通过下述方法制备得到：

将第一溶剂、金属盐、稳定剂和还原剂混合并调节pH值至微碱性，进行还原反应得到混合溶液；向混合溶液中加入沉淀剂得到的沉淀即为所述金属纳米簇；

更优选地，所述稳定剂包括谷胱甘肽、牛血清白蛋白、聚丙烯酸甲酯和聚丙烯酸等中的一种或两种以上的组合；进一步优选地，所述稳定剂选用谷胱甘肽；