[发明专利]一种配位环境可调的单原子位点铁催化剂及制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种配位环境可调的单原子位点铁催化剂及制备方法和应用，制备方法为：冰水浴条件下，将浓硫酸加入到二茂铁甲醛溶液中，再将吡咯溶液逐滴混合，在冰水浴中持续搅拌反应；再回流加热反应，得前驱体，与含氮化合物进行研磨，惰性气氛下，进行热解，即得铁‑氮硫共掺杂碳；用盐酸溶液处理后，洗涤、干燥，即得配位环境可调的单原子位点铁催化剂。与现有技术相比，本发明制备的单原子位点铁的方法具有配位环境和载体电子结构的可控调节，而且单原子位点铁的载量高，合成方法简单，易于放大实验且可实现工业化生产；可用于苯氧化反应、苯乙烯环氧化反应和硝基化合物的加氢反应，催化效率高、循环效果好、成本低廉等优点。

技术领域

本发明涉及单原子催化剂材料制备及其应用领域，特别涉及一种配位环境可调的单原子位点铁催化剂及制备方法和应用。

背景技术

单原子位点催化剂作为一类具有低成本、高活性以及100％原子利用率的功能材料，在能源存储(燃料电池、锂离子电池、锌-空电池等)、气固相催化、电解水、生物医药、环境治理、电催化有机合成等众多领域中已经表现积极应用价值。因此，化学家和材料学家们发展了众多的合成策略用于高效铁基单原子位点及其配位环境与电子结构的有效调控。

首先，围绕单原子铁位点的合成取得了积极进展。例如，Yadong Li等人(Angew.Chem.Int.Ed.,2017,56,6937–6941)采用自上而下的主客体化学方法，合成了孤立的单原子铁/氮掺杂碳催化剂，其在碱性氧还原中表现出非常高的活性。随后，Yuen Wu等人(J.Am.Chem.Soc.,2017,139,17281-17284)采用表面离子交换的主客体化学方法，成功合成了铁-钴双原子位点/氮杂多孔碳催化剂，其在酸性条件下实现了与商业铂碳一样的氧还原活性，其在锌-空电池中表现很好的性能，且能量密度达到0.98W cm^-2。其次，围绕铁单原子所需要的载体，大家通过硫掺杂对载体进行电子结构调控(Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,610–614；Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,13800–13804；ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,40298–40306；Nano Res.2018,11,6260–6269)，从而改善单原子铁位点的催化活性。例如，Dingsheng Wang等人(Adv.Mater.,2018,30,1800588)利用吡咯和噻吩为原料，采用配位聚合物策略合成了高效的单原子位点铁/氮、硫共掺杂的碳催化剂，其在碱性氧还原中氧还原电位达到0.896V。最后，通过对中心原子铁的配位环境进行调控，同样可以实现对催化剂活性调控。例如，Chen Chen等人(Nat.Commun.,2019,10,4290)利用调节热解温度的方法，实现了单原子位点铁周围配位环境调控，分别合成了一个铁与四个氮原子配位、一个铁与三个氮原子配位、一个铁与两个氮原子配位的单原子铁位点催化剂，其在苯氧化到苯酚的催化中一个铁与四个氮原子配位的单原子位点铁的催化活性最高。就在最近，Qing Peng等人(Energy Environ.Sci.,2021,14,3430–3437)采用之上而下的热解方法合成了氧配位的单原子铁位点，其在二氧化碳还原中表现出非常高的一氧化碳法拉第效率和选择性。