[發明專利]一種非貴金屬單原子雙功能電催化劑的制備方法與應用

在審

• 申請號: 202011269900.8
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112221530A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 宗玲博;吳偉翠;陳新;張文君;王磊
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/08;B01J35/10;H01M4/90
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 王敏

本發明公開了一種非貴金屬單原子雙功能電催化劑的制備方法，屬于納米材料制備技術領域。本發明通過利用Cu、Fe、Ni、Co、Mn、稀土等金屬鹽及其相應的水合物在水溶液中與多孔碳球的強吸附作用，并在惰性氣體的保護下進一步與氮源混合經高溫反應得到非貴金屬單原子雙功能電催化劑。本發明公開的制備方法簡單，成本低，反應溫和，具有一定的普適性，有利于工業化大規模生產。且所述單原子雙功能電催化劑因具有較大的比表面積和優異的電化學性能而適用于氧還原和氧析出反應中，適于推廣與應用。

技術領域

本發明屬于納米材料制備技術領域，涉及一種非貴金屬單原子雙功能電催化劑的制備方法，具體涉及一種高效、抗腐蝕的非貴金屬單原子雙功能電催化劑及其在氧還原和氧析出反應中的應用。

背景技術

隨著人們對可再生能源存儲和轉換技術越來越多的關注，如金屬空氣電池和燃料電池。在各種儲能裝置中，鋅-空氣電池(ZAB)被認為是其中最有前途的技術之一。由于其高的理論比能量密度(1086wh/kg)來代替用于電動車輛和其它能量要求設備的鋰離子電池。其成本低廉、安全性好、性質優異。對于可再充電的空氣電池，Pt和Ir/Ru-金屬基材料已被廣泛用于氧還原和氧析出反應，然而，Pt和Ir/Ru-金屬基材料具有儲量低、成本高等缺點。因此，開發非Pt和Ir/Ru-金屬基材料催化劑是實際應用的迫切需要。

其中，單原子催化劑因具有活性位點充分暴露，催化活性比較高等特點而引起了廣泛的研究興趣。近年來研究者發展起了制備單原子催化劑的方法，包括物理和化學路線合成。其中物理途徑包含原子層沉積等。傳統的化學途徑，如濕浸漬、共沉淀和光沉積，這些方法通常具有合成步驟繁瑣，活性位點密度低，制備成本高，重復性差、催化性質單一等缺陷。

此外，由于單原子的能量比較高，同時還缺乏單原子與載體間的強相互作用，因此單一原子聚集成簇或納米粒子在一定程度上是不可避免的，且這些影響因素限制了單原子催化劑的實際工業應用。為了滿足制備成本低，大規模生產、重復性好等工業要求，迫切需要先進的合成方法，但其對單原子催化劑的制備仍存在挑戰。

因此，開發一種性能優異、成本低廉及能規模化生產的單原子雙功能電催化劑的制備方法是本領域技術人員亟待解決的技術難題。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是針對現有技術中存在的問題，提供一種溫和高效、成本低廉、催化性能多樣化、能規模化生產的非貴金屬單原子雙功能電催化劑的制備方法。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種非貴金屬單原子雙功能電催化劑的制備方法，所述方法具體包括如下步驟：

1)利用葡萄糖或蔗糖等生物質原料制備碳球，然后用堿性物質例如KOH或者K₂CO₃等活化造孔，得到活化后的碳球，備用；

具體地，所述碳球活化的工藝步驟如下所示：

量取50-120g葡萄糖或者蔗糖放入水熱釜釜襯，并量筒量取150-350mL去離子水攪拌葡萄糖完全溶解，在140-180℃條件下水熱反應4-10h，待溶液冷卻以后進行離心處理，用去離子水與乙醇分別洗滌2次；然后在60℃的干燥箱中進行干燥處理；將獲得的碳球與NaOH/KOH/K₂CO₃/CaCl₂按照1:10～1:1的質量比配置后研磨均勻；以1-10℃/min的升溫速率焙燒至900℃，然后恒溫1-4小時(氬氣或者氮氣氣氛)，待冷卻以后抽濾水洗，放入鼓風干燥箱干2-3h，最終獲得的樣品命名為活化碳球。

2)稱取活化后的富含缺陷的活化碳球加入至去離子水中形成A溶液，備用；

3)稱取金屬鹽加入至去離子水中形成B溶液，備用。

4)將所述A溶液和所述B溶液混合，并室溫攪拌反應，得到產物；