[發明專利]N-F共摻雜石墨烯Cu單原子載Pt催化劑及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202010670386.2
• 申請日: 2020-07-13
• 公開（公告）號: CN111710877B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 樊友軍;孫苗蘭;鐘靜萍;陳衛
• 申請（專利權）人: 廣西師范大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92;H01M8/1011
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 覃永峰

本發明公開了一種N?F共摻雜石墨烯Cu單原子載Pt催化劑及其制備方法與應用，所述方法為以全氟酞菁銅為前驅體制備N?F共摻雜石墨烯Cu單原子催化劑，將N?F共摻雜石墨烯Cu單原子催化劑作為催化顆粒載體而制得N?F共摻雜石墨烯Cu單原子載Pt催化劑。這種方法工藝簡單、操作條件溫和可控，所制備催化劑各成分之間存在強耦合的協同電子效應，能增強對氧還原和甲醇氧化的電催化活性、電化學穩定性以及抗毒化的能力，在電催化氧還原和甲醇氧化反應中具有良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及電催化和燃料電池領域，具體是一種N-F共摻雜石墨烯Cu單原子載Pt催化劑及其制備方法與應用。

背景技術

單原子催化劑（SAC）是由金屬原子單分散在各種固體載體上的一種新型材料，最近已成為催化科學中的一個前沿研究領域。SAC繼承了非均相催化劑和均相催化劑的優點，通常都具有極高的催化性能，SAC性能遠超過金屬納米顆粒催化劑。SAC的高催化效率源自其原子利用率的最大化和獨特的金屬原子協同作用環境，此外，由于SAC的結構簡單以及同質性，有利于精確鑒定和表征它們的活性位點，同時，這也有助于全面了解催化劑結構與性能之間的關系，從而針對原子級目標反應開展合理的催化劑設計。大量實驗和理論研究已經證明SAC在一氧化碳氧化、甲烷轉化、二氧化碳還原、析氫、氧還原、氮還原等化學轉化方面有突出的催化潛力。

近年來，有關過渡金屬單原子負載在摻雜碳納米材料上用作燃料電池陰極氧還原催化劑的研究已有一些文獻報道，例如：(1) 2019年《ACS Appl. Energy Mater.》報道以Cu酞菁和雙氰胺為前驅體，并以硫脲為“原位還原劑”的獨特策略，合成了N摻雜石墨烯載Cu單原子復合材料，在堿性介質中表現出極高的氧還原性能；(2) 2020年《Mater. Today》報道以一種超分子水凝膠策略制備了碳纖維載Cu單原子，可作為堿性氧還原反應的有效電催化劑；(3) 2019年《Energy Environ. Sci.》提出了一種原子界面策略來構造S和N摻雜碳載Cu單原子催化劑，在堿性介質中表現出增強的氧還原活性；(4) 2018年《Adv. Mater.》報道了將乙酰丙酮鐵加入到含吡咯和噻吩的共聚物上，采用共聚熱解策略實現了S、N共摻雜多孔碳載Fe單原子催化劑的制備，在堿性介質中表現出了高效的氧還原性能；(5) 2019年《Angew. Chem. Int. Edit.》報道通過熱解金屬有機框架的方法制備了N摻雜碳載Cr單原子復合材料催化劑，該材料在酸性介質中表現出優越的氧還原性能。然而，有關以全氟酞菁銅為前驅體設計制備N-F共摻雜石墨烯Cu單原子及其載Pt催化劑并將其應用于電催化氧還原和甲醇氧化反應的研究尚未見文獻和專利報道。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，而提供一種N-F共摻雜石墨烯Cu單原子載Pt催化劑及其制備方法與應用。這種方法工藝簡單、操作條件溫和可控，所制備催化劑各成分之間存在強耦合的協同電子效應，能增強對氧還原和甲醇氧化的電催化活性、電化學穩定性以及抗毒化的能力，在電催化氧還原和甲醇氧化反應中具有良好的應用前景。

實現本發明目的的技術方案是：

一種N-F共摻雜石墨烯Cu單原子載Pt催化劑的制備方法，與現有技術不同處在于，包括如下步驟：

1）在裝有70 mg石墨烯的離心管中加入35 mL 1 M的鹽酸溶液，超聲處理2小時后以三次蒸餾水反復洗滌至中性、60 ℃下真空干燥12小時備用，在裝有8 mL三次蒸餾水的離心管中加入10 mg鹽酸處理的石墨烯和5 mg-40 mg全氟酞菁銅，常溫下超聲分散6小時、靜置過夜、所得產物經離心、洗滌和真空干燥即可得到全氟酞菁銅功能化石墨烯復合材料，然后稱取50 mg全氟酞菁銅功能化石墨烯樣品，置于石英管式爐內在氫氣氛圍下于200 ℃熱處理2 小時、冷卻至室溫后，再在氬氣氛圍下于500 ℃-900 ℃熱處理3小時、冷卻至室溫后，結果產物以1 M鹽酸溶液超聲處理1小時，隨后以三次蒸餾水反復洗滌至溶液呈中性，60℃下真空干燥12小時得到N-F共摻雜石墨烯Cu單原子催化劑即Cu SAC-NFG；