[發(fā)明專利]一種用于氧還原的吡咯衍生的單原子鐵基氮碳材料的制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011093433.8
• 申請日: 2020-10-13
• 公開（公告）號: CN112058301A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發(fā)明（設計）人: 曹傳寶;姚秀云
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明涉及一種單原子鐵基氮碳材料的通用制備方法及其作為氧還原反應催化劑材料的應用。首先，將鐵源化合物與鋅源化合物溶于親水性溶液中，加入吡咯單體，進行一定時間的劇烈攪拌形成混合均一的溶液，結束后產(chǎn)物經(jīng)去離子水和乙二醇離心洗滌數(shù)次，干燥后得到的產(chǎn)物再通過煅燒得到最終產(chǎn)物。本發(fā)明的優(yōu)點在于：操作簡單，成本低廉，反應條件溫和，整個反應在常溫常壓下進行且無需額外的酸洗過程，產(chǎn)物尺寸形貌均勻分散性好，且沒有發(fā)現(xiàn)金屬顆粒發(fā)生團聚。用作氧還原反應催化劑具有高導電性，豐富的活性位點，以及優(yōu)異的電催化活性能，是一種具有廣泛商業(yè)化應用前景的理想氧還原反應催化材料。

技術領域

本發(fā)明屬于單原子材料領域，特別涉及一種基于吡咯聚合的鐵單原子材料的制備。

背景技術

隨著人類社會的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的化石能源因過度使用而日漸枯竭，由此造成的環(huán)境污染問題也日益嚴重，人們逐漸意識到發(fā)展可持續(xù)新能源和高效能源轉(zhuǎn)換技術的重要性。在這些新型裝置中，燃料電池以及可充放電的金屬—空氣電池是兩種備受關注的方式，但受限于貴金屬催化劑的價格高昂，一直未能實現(xiàn)規(guī)模化推廣應用。因此，發(fā)展經(jīng)濟高效的氧還原催化劑，成為了推動燃料電池和金屬—空氣電池實用化、規(guī)模化的重點所在。

非貴金屬催化劑不僅可以降低催化劑的成本，還可以保持較高的穩(wěn)定性。在實際的燃料電池測試中，氮摻雜碳材料展示出了比Pt基催化劑更優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性。在此基礎上，含氮碳材料表面摻雜金屬單原子(M-NC)可以進一步提高材料的催化活性，比如活性位點為MN₄的催化劑。其中，F(xiàn)e-NC在電催化氧還原方面展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能(Angew.Chem.Int.Ed，50(2011)11765-11768)。

單原子催化劑是近年來在催化領域嶄露頭角的一顆新星，它的原子利用率高，活性位點分布均勻，電子結構可調(diào)節(jié)，具有很高的電催化活性和選擇性。但是由于原子級別的金屬物種易于發(fā)生遷移和團聚，因此制備單原子分散的金屬物種仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

目前國際上通常借助模版或者基底來分散金屬原子，比如二氧化硅模版，石墨烯基底以及金屬有機框架結構。但是最終大多都需要進行酸洗步驟來去除模版，從而降低了材料的催化活性。在此選用吡咯聚合的方式，使鐵原子在吡咯聚合的過程中原位聚合到聚吡咯上，再通過簡單的煅燒得到單原子鐵基氮碳材料，與傳統(tǒng)方式相比，合成工藝簡單，材料性能高，對環(huán)境友好。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了合成具有高穩(wěn)定性、高催化性能的單原子鐵基氮碳材料從而解決了現(xiàn)有催化劑存在的金屬原子易團聚、電流密度低，穩(wěn)定性差，制備工藝復雜的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

向親水性溶液中加入鐵源化合物和鋅源化合物，得到一定濃度的金屬有機溶液；

向步驟1中的混合體系加入聚合物單體；

步驟2中的混合體系攪拌反應一定的時間得到反應產(chǎn)物，將產(chǎn)物經(jīng)洗滌，干燥，制得含有金屬的聚合物；

將步驟3得到的產(chǎn)物在一定溫度下煅燒一定時間，自然冷卻至室溫后制得單原子鐵基氮碳材料。

進一步地，步驟1所述的親水性溶液包括去離子水，甲醇，乙醇，乙二醇，丙三醇，二甲基甲酰胺，吡啶，哌啶，四氫呋喃等一種或者多種混合溶液。

進一步地，步驟1所述的鐵源化合物包括硝酸鐵，硝酸亞鐵，氯化鐵，氯化亞鐵，草酸亞鐵，硫酸鐵，硫酸亞鐵等一種或者多種混合鹽。

進一步地，步驟1所述的鋅源化合物包括硝酸鋅，氯化鋅，草酸鋅，硫酸鋅等一種或者多種混合鹽。

進一步地，步驟1所述的金屬有機溶液的濃度為0.01～10mol/L。

進一步地，步驟2所述的聚合物單體包括吡咯，苯胺，對苯二胺，間苯二胺，鄰苯二胺等一種或者多種混合物。