[发明专利]一种ORR非贵金属单原子催化剂及其制备方法

说明书

一种ORR非贵金属单原子催化剂及其制备方法，涉及催化剂技术领域，解决了非贵金属单原子位点易团聚导致催化剂稳定性不好的问题，可应用于燃料电池ORR过程中。将金属盐分散在碱式碳酸锌的悬浊液中，搅拌使其分散均匀；对悬浊液进行离心处理，除去上清液；将离心产物、三聚氰胺和葡萄糖加入去离子水中进行混合，并继续搅拌；再次离心除去上清液，收集产物，置于烘箱中干燥，得到催化剂前驱体；将催化剂前驱体置于管式炉中，在氮气气氛下煅烧；将煅烧后的产物研磨，然用酸洗、抽滤并烘干；对步骤S6中产物进行第二次煅烧，收集产物，烘干即得目标催化剂。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种ORR非贵金属单原子催化剂及其制备方法。

背景技术

ORR(氧还原反应)是燃料电池和金属空气电池等新型能量存储和转换系统中必不可少的半反应之一。然而，ORR的电子传递步骤多且速度慢，传质效率低，导致其动力学速度慢，极大地阻碍了其在实际装置中的应用。因此，有必要开发高效的ORR催化剂。

金属单原子催化剂因其处于纳米量级而表现出了独特的表面与界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应，受到了密切关注。ORR非贵金属单原子催化剂具有以下优点：(1)最大限度地提高了金属原子的利用率，接近100％；(2)金属原子高度分散，促进活性位点暴露；(3)具有相对均匀的活性中心；(4)化学稳定性好、电导率优异、比表面积大、多孔结构可调且制备成本低。

但是大量研究表明ORR非贵金属催化剂的活性及稳定性极易受到非贵金属单原子的分散程度、活性位点周边的缺陷结构、形貌以及表面状态的影响。当单原子位点团聚形成纳米粒子时，会导致催化剂的活性位点数量减少，活性降低，并引起芬顿效应，使得催化剂的稳定性变差。因此，如何高效制备尺寸均一、活性位点分布均匀的ORR非贵金属单原子催化剂已经成为本领域一项重要的研究课题。

发明内容

为了解决非贵金属单原子位点易团聚导致催化剂稳定性不好的问题，本发明提出了一种ORR非贵金属单原子催化剂及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种ORR非贵金属单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：

S1、将金属盐分散在碱式碳酸锌的悬浊液中，搅拌使其分散均匀；

S2、对悬浊液进行离心处理，除去上清液；

S3、将离心产物、三聚氰胺和葡萄糖加入去离子水中进行混合，并继续搅拌；

S4、再次离心除去上清液，收集产物，置于烘箱中干燥，得到催化剂前驱体；

S5、将催化剂前驱体置于管式炉中，在氮气气氛下煅烧；

S6、将煅烧后的产物研磨，然用酸洗、抽滤并烘干；

S7、对步骤S6中产物进行第二次煅烧，收集产物，烘干即得目标催化剂。

优选地，步骤S1中所述非贵金属盐为铁、钴、镍、铜、锰或铬的氯化物、硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐、乙酰丙酮盐或磷酸盐。

优选地，步骤S1和步骤S3中所述搅拌时间均为6h～18h。

优选地，所述三聚氰胺、葡萄糖和碱式碳酸锌的质量用量比例为1:2:2，所述搅拌速度为300rpm～800rpm。

优选地，所述金属盐中的金属离子的含量与碱式碳酸锌中的Zn离子的摩尔比为1:30。

优选地，步骤S5中所述煅烧的升温速率为2℃/min～15℃/min，煅烧温度为900℃～1100℃，煅烧时间为2h～3h。

优选地，步骤S6中所述酸洗采用0.5mol/L～2mol/L的HCl，所述酸洗的温度为50℃～80℃，酸洗时间为6h～18h。