[发明专利]一种单原子锰催化剂的电化学制备方法

说明书

本发明公开了一种单原子锰催化剂的电化学制备方法，属于电催化材料技术领域。本发明的电化学制备方法为：将具有通道结构的α‑MnO₂纳米线与导电炭黑和粘结剂混合成均匀的浆料，涂覆到电极片上作为电池的负极材料，与正极材料和电解液组装成电池后，进行大电流恒流放电，直至纳米线通道结构破碎，或者在恒电流密度下，进行恒定电流充放电长循环，直至MnO₂纳米线的通道结构破碎，Mn原子析出，得到单原子锰催化剂。本发明制备出的单原子锰催化剂密度高，反应在常温常压下进行，操作简单，制备成本低，适于推广与应用。

技术领域

本发明涉及电催化材料技术领域，尤其涉及一种单原子锰催化剂的电化学制备方法。

背景技术

金属以单原子形式分散在固体载体表面所形成的单原子金属催化剂不仅具有异相催化的特征，而且还有均相催化的特点。近年来单原子催化剂在气相反应、有机反应和电催化反应等反应中发展迅速，取得了广泛的应用。与传统的纳米颗粒金属催化剂相比，单原子金属催化剂具有更加优异的催化性能(文献1)，如：催化剂中所有的金属原子都能参与催化反应，并且反应分子在单原子金属上比在纳米金属颗粒上具有更快的转换频率(TOF)。因此采用各种单原子金属催化剂是石油化工、化学合成和能源转换等诸多领域近年来的主要发展方向，其中，最关键的技术是在各种固体表面简单高效地制备出单原子分散的金属催化剂。目前大多数以石墨烯为载体(文献2)，主要采用为高温还原法、原子层沉积法、金属有机框架离子交换法，物理和化学气相沉积和球磨等方法制备。这些方法通常涉及高温或高真空过程，制备工艺复杂；金属单原子与基底作用力有限，难以制备高密度单原子体系。此外，由于单原子的能量比较高，同时还缺乏单原子与载体间的强相互作用，因此单一原子聚集成簇或纳米粒子在一定程度上是不可避免的，且这些影响因素限制了单原子催化剂的实际工业应用。为了满足制备成本低，大规模生产、重复性好等工业要求，迫切需要先进的合成方法，但其对单原子催化剂的制备仍存在挑战。因此，开发一种性能优异、成本低廉的单原子催化剂的制备方法是本领域技术人员亟待解决的问题。

背景技术文献：

1.Single-Atom Catalysts:Emerging Multifunctional Materials inHeterogeneous Catalysis.Zhang Huabin,Liu Guigao,Shi Li,Ye Jinhua,Advanceenergy materials,2018,8(1),1701343.

2.Atomically dispersed Ni(I)as the active site for electrochemicalCO₂reduction.Yang Hongbin,Hung Sung-Fu,Liu Song et.al,Nature energy,2018,3,140-147.

发明内容

鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种温和高效、成本低廉的制备单原子锰催化剂的方法。该方法简单易行，普适性广，安全性高，且制备方法不涉及任何高温步骤。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种单原子锰催化剂的电化学制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将具有通道结构的α-MnO₂纳米线与导电炭黑和粘结剂混合、涂片干燥，得到涂有α-MnO₂掺杂碳材料的电极；

步骤2：以步骤1得到的涂有α-MnO₂掺杂碳材料的电极为负极，与正极材料和电解液组装电池后，进行大电流恒流放电或恒定电流充放电长循环，得到单原子锰催化剂。

作为优选的实施方式，所述通道结构为[MnO₆]八面体的2×2通道。

作为优选地实施方式，步骤1中，所述具有通道结构的α-MnO₂纳米线通过如下方法制备得到：