[發明專利]一種碳基單原子電催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 202110394053.6
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113172234B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 周震;郭一博;崔會娟;薛圓媛;魏進平
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: B22F9/30
• 分類號: B22F9/30;C25B1/01;C25B1/23;C25B1/04;C25B11/054;C25B11/065;C25B11/075;H01M4/90
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 趙尊生

本發明涉及一種碳基單原子電催化劑的制備方法。其制備方法：1）將固體有機物、碳酸鈉與金屬或金屬鹽充分混合；2）將混合物置于預升溫的加熱反應器中，在惰性或還原性氣氛保護下進行快速熱處理，然后在相同氣氛保護下冷卻到室溫，得到固體產物；3）將上述固體產物洗滌、過濾、干燥得到碳基單原子電催化劑。本發明具有工藝和設備簡單，能耗低，后處理簡單等優點，易于碳基單原子電催化劑的規模化生產。再者，由于快速熱解產生的瞬時高內壓環境本征抑制金屬原子團聚，可以有效提升金屬原子負載量；同時，本發明可以同時引入多種活性中心，這些技術優勢有利于提高碳基單原子電催化劑的催化活性。因此該類型的材料在催化領域有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種碳基單原子電催化劑的制備方法，屬于化學合成技術領域。

背景技術

電化學能源存儲與轉化技術是一種低碳、綠色、安全、高效的技術，可能在實現“碳達峰、碳中和”戰略目標中起到重要作用。金屬-空氣電池和燃料電池具有超高理論能量密度，這使需具有長程續航能力的設備如電動汽車等的實現成為可能（Chem. Soc. Rev.2012, 41, 2172-2192）；二氧化碳的高效電還原不僅可以降低溫室效應，同時高附加值化學品的產生也進一步緩解能源危機（Chem. Soc. Rev., 2020, 49, 6632-6665）。然而，現階段要實現這些技術的實際應用，仍面臨巨大挑戰。其中，制約其發展的關鍵性難題之一是如何實現高效電催化劑的開發與利用。目前，常用的電催化劑為貴金屬材料。這類材料對相關電化學過程如氧氣還原反應、氧氣析出反應和二氧化碳電還原反應等具有較高的催化活性。但是，在反應過程中，一般只有表面原子發揮作用，內部原子對催化作用貢獻很少。高昂的價格和較低的原子利用率嚴重限制了其商業化應用。開發高效電催化劑并顯著提高其原子利用率迫在眉睫。

碳基單原子催化劑是指單個金屬原子嵌入碳載體中形成的高度分散的碳基金屬催化劑。由于碳基單原子催化劑中金屬原子以單個原子形式存在，可以最大程度的暴露活性位點，原子利用率接近100%。目前已有文章報導碳基單原子催化劑對氧氣還原反應、氧氣析出反應和二氧化碳還原反應等反應具有明顯的電催化活性（ACS Energy Lett. 2021,6, 2, 379-386；Adv. Mater. 2020, 32, 2003134；Nat. Energy 2018, 3, 140-147）。這些進展充分說明了碳基單原子催化劑在電化學能源存儲與轉化領域應用的巨大潛力，開發碳基單原子催化劑具有重要的科學與技術意義。

目前，常用的制備碳基單原子催化劑的方法為濕法化學法、熱解法和物理、化學氣相沉積法。濕法化學法一般是非原位方法，首先通過浸漬、共沉淀等手段將金屬前驅體負載到載體上，然后進一步熱還原得到相應碳基單原子催化劑（Energy Environ. Science2018, 11, 893-903）。由于載體對金屬前驅體的吸附能力有限，使得這類方法金屬的負載量一般較低，常規表征較為困難。熱解法是將金屬前驅體和含碳前驅體通過高溫熱處理方式制備碳基單原子催化劑。常用的含碳前驅體為MOF 材料（Angew. Chem. Int. Ed. 2021,60, 7607-7611）。MOF材料一般制備比較復雜且價格相對較高，不利于大規模生產。物理氣相沉積主要采用原子層沉積技術，這類方法可以在基底表面均勻沉積金屬原子（J. Am.Chem. Soc. 2015, 137, 10484-10487）。生長速度慢和前驅體成本高等特點使其很難實現量產。化學氣相沉積是一種原位制備碳基單原子催化劑的常用技術。較低的產量和犧牲模板的使用也限制了該法的商業化應用（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 14031-14035）。因此，探尋新的制備碳基單原子催化劑的技術，同時實現碳基單原子催化劑的高負載和高產量意義重大。本發明旨在開發一種新方法可以本征抑制金屬原子團聚促進碳基單原子催化劑形成。

發明內容