[发明专利]一种金属单原子催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种金属铁单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1：将长链有机胺负载于多孔炭材料的孔道中，得到负载长链有机胺多孔炭材料；S2：通过浸渍的方法将铁离子或者亚铁离子嫁接到所述负载长链有机胺多孔炭材料的氨基上；S3：通过在惰性气氛下高温碳化和酸刻蚀，结束后离心、洗涤和干燥得到金属铁单原子材料得到金属铁单原子催化剂。通过本发明提供了一种简单且制备材料成本低的金属铁单原子催化剂制备方法，并且将所述铁单原子催化剂应用于电化学中，得到了较高的电化学氧气还原性能，且循环寿命长。

技术领域

本发明涉及催化剂制备技术领域，具体而言，涉及一种金属单原子催化剂及其制备方法。

背景技术

2011年中国科学院大连化学物理研究所张涛院士等人在《自然化学》上提出了金属单原子催化的概念(Nature Chemistry,2011,3 634-641)，并迅速受到了广泛的关注。经过了短短十余年的发展，金属单原子催化已经成为了催化领域的研究前沿和热点，也是目前学术界最活跃的研究方向之一。

目前制备金属单原子催化剂的策略主要有液相浸渍、原子层沉积、金属氢氧化物/聚合物核壳结构策略和光电化学策略。然而这些方法存在原料昂贵、操作复杂或者设备要求高等缺点，目前只限于学术研究，难以实际推广使用。近年来，金属-有机框架材料作为金属单原子催化剂制备前驱体的研究屡见报道并收到青睐(Nature Reviews Chemistry,2018,2,65-81；Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,6937-6941)。例如中国科学院宁波材料所林贻超等人基于选择具有联吡啶基团的Zr基金属有机框架材料(如UiO(bpdc))，通过后处理修饰方法将金属盐前驱体配位在到联吡啶基团上，然后在惰性气氛下进行碳化并酸刻蚀获得金属单原子催化剂，其中金属铁单原子具有非常优异的电化学氧还原的催化性能(Advanced Materials,2019,31,1808193)，然而，该方法所采用的Zr基金属有机框架材料制备过程繁琐且制备原料昂贵。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种金属铁单原子催化剂的制备方法，以解决常规方法制备过程繁琐且制备原料昂贵的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种金属铁单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1：将长链有机胺负载于多孔炭材料的孔道中，得到负载长链有机胺多孔炭材料；

S2：通过浸渍的方法将铁离子或者亚铁离子嫁接到所述负载长链有机胺多孔炭材料的氨基上；

S3：通过在惰性气氛下高温碳化和酸刻蚀，得到金属铁单原子催化剂。

作为优选的方案，所述金属铁单原子通过与氮原子的配位作用均匀分散于N掺杂的C材料中。

作为优选的方案，所述多孔碳材料通过高温碳化生物质或高分子聚合物制备获得，所述多孔炭材料的比表面积大于1000m²·g^-1，孔径大于2nm。

作为优选的方案，所述步骤S1中，所述负载的方法包括：将长链有机胺溶解于溶剂中得到长链有机胺溶液，将多孔炭材料加入到所述长链有机胺溶液中并进行搅拌，直至干燥。

作为优选的方案，所述步骤S1中，所述长链有机胺和所述多孔碳材料的比例为(0.1-1.2):1。

作为优选的方案，所述步骤S1中，所述长链有机胺为聚乙烯亚胺、聚苯胺中的一种或两种，且分子量为1000-70000。

作为优选的方案，所述步骤S2中，所述浸渍的方法包括：将所述负载长链有机胺多孔炭材料加入到含有铁离子或者亚铁离子的金属盐溶液进行搅拌浸渍。

作为优选的方案，所述溶剂和所述金属盐溶液的溶剂为甲醇、乙醇和水中的一种。