[发明专利]基于一步法气固反应制备高负载型单原子碳基催化剂的方法及应用

权利要求书

1.一种高负载量单原子碳基催化剂的制备方法，其中所述单原子为金属单原子，其特征在于：

所述制备方法为：将特殊晶面暴露的氧化锌、2-甲基咪唑以及金属有机前驱体，在高温炉管中，采用一步法气固反应，形成所述高负载量单原子碳基催化剂；

所述制备方法的步骤至少包括：将所述特殊晶面暴露的氧化锌与2-甲基咪唑及金属有机前驱体以1:0.8:0.01-1:3.6:0.05的摩尔比，以氩气为载气，载气流速为5-15 mL/min，置于管式炉中先进行第一段反应：管式炉以2-10 ˚C/min的升温速率升至400 ˚C，在400 ˚C的温度条件下反应0.25 h-2 h；然后再以2-10 ˚C/min的升温速率升至800 ˚C-1000 ˚C，进行第二段反应，反应时间0.25 h-2 h，最终得到所述高负载量单原子碳基催化剂；

其中，制备过程中，所述特殊晶面暴露的氧化锌、2-甲基咪唑与金属有机前驱体置于管式炉中的方式为：将三者置于管式炉内的一密闭反应腔中，三者的放置位置根据所述载气的流向设置，按照金属有机前驱体、2-甲基咪唑以及所述特殊晶面暴露的氧化锌的顺序，由上风向到下风向的方向布置；

其中所述特殊晶面暴露中的特殊晶面指非极性面，其中所述金属单原子指铁原子或者镍原子，所述金属有机前驱体指有机铁或者有机镍；

所述特殊晶面暴露的氧化锌的制备方法为水热合成法，包括如下步骤：向锌离子水溶液中加入浓氨水并进行水热反应，其中浓氨水的体积占水热溶液总体积的15%-18%，浓氨水的质量浓度为25%-28%，锌离子在水热溶液中的摩尔浓度为0.5-0.6 mol/L，水热溶液体积占水热釜体积的30%-50%，水热时间4 h-24 h，水热温度85 ˚C-115 ˚C。

2.根据权利要求1所述一种高负载量单原子碳基催化剂的制备方法，其特征在于：所述管式炉内的一密闭反应腔由一带盖刚玉舟及石英管构成，带盖刚玉舟置于石英管中部；所述特殊晶面暴露的氧化锌置于带盖刚玉舟中部即1/2处，对应载气的下风向；2-甲基咪唑与金属有机前驱体位于刚玉舟的前端至1/4处，对应载气的上风向，其中2-甲基咪唑为靠近氧化锌一侧；所述特殊晶面暴露的氧化锌、2-甲基咪唑与金属有机前驱体在所述带盖刚玉舟形成的密闭环境中完成所述一步法气固反应。

3.根据权利要求1所述一种高负载量单原子碳基催化剂的制备方法，其特征在于：所述特殊晶面暴露中的特殊晶面指非极性晶面（1010）。

4.根据权利要求1所述的高负载量单原子碳基催化剂的制备方法，其特征在于：用水热合成法制备特殊晶面暴露的氧化锌时，浓氨水的体积占水热溶液体积的17.5%，锌离子在水热溶液中的摩尔浓度为0.57 mol/L。

5.根据权利要求1所述的高负载量单原子碳基催化剂的制备方法，其特征在于，所述的有机铁指二茂铁、苯乙酸铁中的一种或两种，所述有机镍为二茂镍、苯乙酸镍的一种或两种。

6.根据权利要求1所述的高负载量单原子碳基催化剂的制备方法，其特征在于，在所述第一段反应与第二段反应中，升温、反应、降温的全过程中，载气氩气的流速为10 mL/min。

7.根据权利要求1所述的高负载量单原子碳基催化剂的制备方法，其特征在于，所述特殊晶面暴露的氧化锌与2-甲基咪唑及金属有机前驱体的摩尔比为1:2.4:0.03；所述第一段反应与第二段反应的升温过程中，升温的速率均为5 ˚C/min；第二段反应温度为900 ˚C，所述第一段反应及第二段反应的反应时间均为30 min。

8.根据权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的高负载量单原子碳基催化剂。

9.权利要求8所述的高负载量单原子碳基催化剂在电催化还原二氧化碳为一氧化碳的应用，所述高负载量单原子碳基催化剂制作的工作电极，在CV活化之后，应用于电催化还原中。