[發明專利]一種VIII族單原子分散的催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201611228407.5
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN108242549B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發明（設計）人: 吳宇恩;李亞棟;尹培群;王晶
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;B01J27/24;B01J35/00;B01J37/08
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本發明一種VIII族單原子分散的催化劑及其制備方法，該催化劑是通過將VIII族原子和Zn原子共同與配體有機配體配位形成金屬有機框架，在再通過在惰性氣體下高溫熱解反應，有機配體配位形成非金屬雜原子摻雜的碳載體，VIII族原子與非金屬雜原子相互作用，并包覆在碳層里面以單原子的形式存在。本發明是以金屬有機框架為前驅體，只需通過高溫熱解的方法便可以制得所需的催化劑，且制備方法簡單易行并且是合成單原子通用的方法。本發明提供的VIII族單原子分散的催化劑具有很好的熱穩定性并且在燃料電池陰極氧還原催化上反應出很好的催化活性。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術發明領域，具體涉及一種VIII族單原子分散的催化劑及其制備方法。

背景技術

隨著人類社會的發展，全球能源的消耗和氣候變化等問題都引起了人們的廣泛關注，因此尋找可替代的清潔能源已經迫在眉睫。目前，正在開發的新能源包括太陽能，風能，燃料電池等。其中，燃料電池是一種通過氫氣和氧氣的電極反應生成水直接將化學能轉換成電能的裝置，不會產生廢氣，因能量轉換效率高（達60%-80%）和環境友好等優越性受到人們的關注，被認為是21世紀首選的清潔能源發電技術。但是燃料電池的陰極氧還原動力學緩慢，催化劑昂貴是制約燃料電池商業化進程的一大因素。現在，鉑碳是商業上最廣泛使用的催化劑，但由于Pt的價格昂貴而且地球上Pt資源非常有限，這些都是實現燃料電池大規模商業化急需解決的問題之一。開發廉價、高性能的非鉑催化劑來替代鉑碳貴金屬催化劑是解決這些問題的一個有效途徑。

鉑碳作為目前最廣泛使用的燃料電池催化劑，不僅價格昂貴而且催化劑穩定性較差，目前為止解決方法是使用鉑合金或者非鉑催化劑替代鉑碳催化劑，降低成本并且提高穩定性，現在對于非鉑催化劑研究最多的就是新型的碳基納米材料。許多非貴金屬的碳材料例如氮，硫，磷等摻雜的碳被研究用于燃料電池的氧還原催化劑，但是碳基單原子的非貴金屬納米材料用于堿性和酸性燃料電池的陰極氧還原催化劑還沒有被報道過。如果這種單原子碳基非鉑納米材料能成功用于燃料電池的陰極體系，而且具有比鉑碳還優良的催化活性和穩定性，這將極大地推動燃料電池的商業化發展進程。而且，這種單原子的合成方法也是首次被提出，這種合成方法將對于單原子的合成提供了一種新的策略。

發明內容

本發明的目的在于提供一種VIII族單原子分散的催化劑及其制備方法，本發明制得的催化劑在燃料電池的陰極氧還原反應中表現出優越的催化性能和穩定性，且制備方法簡單易行，熱穩定性好，產率高，價格低廉。

為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案：

一種VIII族單原子分散的催化劑，該催化劑是通過將VIII族原子和Zn原子共同與配體有機配體配位形成金屬有機框架，在再通過在惰性氣體下高溫熱解反應，有機配體配位形成非金屬雜原子摻雜的碳載體，VIII族原子與非金屬雜原子相互作用，并包覆在碳層里面以單原子的形式存在。

所述催化劑中的VIII族原子為選自Fe，Co，Ni三種金屬元素的一種或者兩種Fe，Co，Ni，所述有機配體為二甲基咪唑。

所述非金屬雜原子為N。

一種VIII族單原子分散的催化劑的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，將VIII族原子化合物甲醇溶液和Zn化合物甲醇溶液加入到有機配體甲醇溶液中，邊超聲邊溶解，然后再將混合溶液攪拌過夜；

步驟2，將步驟1得到的混合溶液用甲醇離心洗滌3-5次，在70℃烘箱中烘干過夜，得到固體粉末；

步驟3，將步驟2得到的固體粉末放入瓷舟，再將瓷舟放入管式爐密封通入惰性氣體，在惰性氣氛下升溫到800-1000℃，煅燒1-3h，然后自然冷卻降溫到室溫，取出在瑪瑙研缽中研磨20min-40min，即得所需的催化劑。

所述的VIII族原子化合物和Zn化合物均為各自的硝酸鹽。