[发明专利]一种氮掺杂碳负载金属单原子催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳负载金属单原子催化剂及其制备方法，通过将金属盐、聚乙烯吡咯烷酮和尿素按一定比例混合均匀后，在160‑240℃条件下加热聚合至完全形成固态后，冷却到室温，得前驱体，然后将所得前驱体，在程序控温和惰性气体保护下升温至800‑1000℃热解，自然冷却至室温后，得氮掺杂碳负载金属单原子催化剂，金属含量可达14wt％，所述金属盐包括铁盐、钴盐、铜盐、镍盐、锰盐、钨盐。本发明解决了单原子催化剂制备过程中金属元素转化率和载量低的技术难题，且产品无需酸洗，环境友好，同时可以制备双元素或多元素金属单原子催化剂。

技术领域

本发明涉及催化剂制备技术领域，特别是涉及一种氮掺杂碳负载金属单原子催化剂及其制备方法。

背景技术

单原子催化剂自2011年提出以来，由于其接近100％的原子利用率和独特的结构特征，在能源、化工、医药、环境领域表现出了极大的应用潜力。近年来，金属单原子材料制备方法层出不穷。通过热解金属掺杂MOF(有机金属骨架化合物)制备氮掺杂碳材料负载金属单原子催化剂是目前金属单原子催化剂制备的主要方法。但MOF材料的合成成本高、产品收率低，难以实现大批量生产。

在现有技术中，专利CN112647095A以金属盐与壳聚糖混合，经过流量不热解，制备出了氮掺杂碳负载双金属组分单原子材料。但该方法在制备过程中需要使用硝酸对产品进行洗涤，以除去生成的金属纳米颗粒，后处理复杂且污染严重。专利CN111604081A将金属盐与壳聚糖形成微胶囊后热解得到金属单原子材料，该方法可以连续制备，解决了单原子催化剂制备效率低的问题。但该方法制备过程中需要冷冻干燥和使用硫酸对产品洗涤，导致单原子材料制备耗时和污染问题。专利CN111468167A通过热解钴掺杂锌ZIF结构材料制备出了氮掺杂碳负载钴单原子材料，产品形貌均一。但该方法所得的钴单原子材料中会残留大量的锌元素；在前驱体制备过程中，只有部分钴盐掺杂到ZIF中，使得钴的转化率较低；同时，该方法产品收率低、原料价格相对较贵。

因此，开发一种环境友好型、高产率和高金属负载量的金属单原子材料制备方法能够有效解决金属单原子催化剂材料实际应用的瓶颈。

发明内容

针对上述问题和技术不足，本发明之目的在于提供一种氮掺杂碳负载金属单原子催化剂制备方法，通过将金属盐、聚乙烯吡咯烷酮和尿素混合均匀后通过160-240℃的温度后于惰性气体下加热至800-1000℃逐步热解获得，无需酸洗。

其解决的技术方案是：

一种氮掺杂碳负载金属单原子催化剂的制备方法，由以下步骤制备：

(1)将金属盐、聚乙烯吡咯烷酮和尿素按一定比例混合均匀后，在160-240℃条件下加热聚合至完全形成固态后，自然冷却至室温，得前驱体；

(2)将步骤(1)所得前驱体，在程序控温和惰性气体保护下升温至800-1000℃热解，然后自然冷却至室温，获得氮掺杂碳负载金属单原子催化剂。

进一步的，所述步骤(1)中金属盐为过渡金属盐。

进一步的，所述步骤(1)中金属盐不包括为铂盐、钯盐、铱盐、钌盐、铑盐。

进一步的，所述步骤(1)中金属盐包括铁盐、钴盐、铜盐、镍盐、锰盐、钨盐。

进一步的，所述步骤(1)中所使用的金属盐为金属乙酸盐、金属氯化物、金属硝酸盐、金属乙酰丙酮化合物中的一种或多种。

进一步的，所述步骤(1)中所用的金属盐为硝酸铁、三氯化铁、乙酰丙酮铁、硝酸钴、乙酸钴、乙酰丙酮钴、氯化钴、氯化铜、硝酸铜、乙酰丙酮铜、氯化镍、乙酰丙酮镍、氯化锰、硝酸锰、六氯化钨中的一种或几种。

进一步的，所述步骤(1)中所使用的金属盐为六水三氯化铁。