[發(fā)明專利]一種鋅單原子催化劑及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010424445.8
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111569930B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周明;王楠
• 申請（專利權(quán)）人: 東北師范大學(xué)
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;B01J35/10;C25B1/23;C25B11/091;H01M4/90
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 趙靜

本發(fā)明公開了Zn單原子催化劑及其制備方法與應(yīng)用。該Zn單原子催化劑是按照下述方法制備得到的：1)將水果類生物質(zhì)和水混合后進行水熱反應(yīng)，將產(chǎn)物依次進行洗滌、水浴、冷凍干燥，得到水凝膠；2)將水凝膠浸入含氮的液態(tài)生物質(zhì)中，干燥并研磨成粉末1；將粉末1加入到ZnCl₂溶液中，攪拌后將混合物干燥，并在N₂氣氛下進行退火；再將所述產(chǎn)物于酸溶液中進行處理，然后用水洗滌至中性、干燥并研磨成粉末2，即得。SA?Zn?NHPC對CO₂RR和ORR均表現(xiàn)出優(yōu)異電催化活性，在相對低的過電位下，具有較高的一氧化碳法拉第效率；具有高的半波電位和高的起始電位，其催化性能與已報告的單原子催化劑相當(dāng)甚至更好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于單原子催化領(lǐng)域，具體涉及一種鋅單原子催化劑及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

鑒于世界范圍內(nèi)的快速能源消耗和嚴(yán)重的環(huán)境污染，當(dāng)今社會迫切需要探索更多的可持續(xù)性和生態(tài)友好型能源。目前，可持續(xù)鏈的重要部分是電化學(xué)轉(zhuǎn)化和存儲裝置，其中電化學(xué)反應(yīng)始終占據(jù)中心地位。例如，二氧化碳(CO₂)還原反應(yīng)(CO₂RR)是將CO₂轉(zhuǎn)化為化學(xué)燃料以減輕溫室效應(yīng)的必不可少的方式之一，而氧氣(O₂)還原反應(yīng)(ORR)是燃料電池中陰極的半反應(yīng)，其目的是為了緩解能源危機，將從可再生能源中獲得的化學(xué)燃料轉(zhuǎn)化為電能，這兩者都是實現(xiàn)更可持續(xù)性，更綠色發(fā)展的誘人途徑。單原子催化劑(SACs)被認(rèn)為是一種非常規(guī)催化劑，其中所有金屬物種都以原子形式分散或錨定在固體基底上。其具有顯著的優(yōu)勢，例如高原子效率，高選擇性和出色的穩(wěn)定性，可作為CO₂RR和ORR的催化劑。到目前為止，多數(shù)研究只集中在改善SACs的活性上，以使系統(tǒng)更可持續(xù)性，更綠色，但忽視了SACs本身對經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)性的影響(例如，原材料的豐富性，生態(tài)友好性和能否回收利用)，這可能會對電化學(xué)存儲和轉(zhuǎn)換裝置的可持續(xù)性產(chǎn)生極大的限制。如今，我們已經(jīng)意識到可持續(xù)性比以往任何時候都重要，并且我們的社會不愿意在未來技術(shù)中對可持續(xù)性做出讓步。不可否認(rèn)，可持續(xù)性是在新材料設(shè)計的情況下，除了形態(tài)，成分和結(jié)構(gòu)外，現(xiàn)在已被視為一個額外但至關(guān)重要的因素。

因此，開發(fā)一種綠色且可持續(xù)的合成具有優(yōu)異CO₂RR和ORR催化性能的Zn單原子催化劑的方法具有重要的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種綠色且可持續(xù)的方法，該方法可以合成具有優(yōu)異CO₂RR和ORR催化性能的Zn單原子催化劑(SA-Zn-NHPC，單個Zn原子分散在N摻雜的分層多孔碳上)。

本發(fā)明所提供的Zn單原子催化劑的制備方法，包括下述步驟：

1)將水果類生物質(zhì)和蒸餾水混合后進行水熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后將產(chǎn)物依次進行洗滌、水浴、冷凍干燥，得到生物質(zhì)衍生的水凝膠；

2)將所述生物質(zhì)衍生的水凝膠浸入含氮的液態(tài)生物質(zhì)中，取出后干燥并研磨成粉末1；將所述粉末1加入到ZnCl₂溶液中，劇烈攪拌后將混合物干燥，并在N₂氣氛下進行退火；退火結(jié)束待產(chǎn)物冷卻到室溫，再將所述產(chǎn)物于酸溶液中進行處理，然后用水洗滌至中性、干燥并研磨成粉末2，即得所述Zn單原子催化劑。

上述方法步驟1)中，所述水果類生物質(zhì)具體可為蘋果、梨、西瓜等。

所述水果類生物質(zhì)可以是塊狀，如呈立方體形狀

所述水果類生物質(zhì)和蒸餾水的質(zhì)量比為1：(1.5-2.5)，具體可為1:2。

所述水熱反應(yīng)在不銹鋼高壓釜中進行。所述水熱反應(yīng)條件為：180±5℃下反應(yīng)10-12h。

所述洗滌是指用蒸餾水和乙醇體積比1:1的混合液進行洗滌。

所述水浴在水浴鍋中進行。所述水浴條件為：60±5℃下保持45-50h。