[發明專利]一種負載Ni單原子的嵌入式多孔Pd-C納米棒的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202111101813.6
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN114068951A
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 唐亞文;林梓楠;劉啟成;邱曉雨
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/92;H01M12/06;B82Y30/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 殷星

本發明公開了一種負載Ni單原子的嵌入式多孔Pd?C納米棒的制備方法及其應用，先在乙醇水溶液中加入PdCl₂和萘胺，混合均勻后靜置生成絡合物，與NiPc粉末共同分散于THF溶劑中攪拌后離心干燥，收集固體粉末高溫煅燒處理，冷卻后即可得到負載Ni單原子的嵌入式多孔Pd/C納米棒。該方法簡單易行，原料成本低廉，可實現規模化生產，制得的負載Ni單原子的嵌入式多孔Pd/C納米棒不僅具有比表面積大、導電性好、滲透性強、耐高溫等結構優勢；而且同時具有Ni?Nx和Pd兩種高活性的金屬位點來分別驅動析氧反應和氧還原反應，在鋅空電池的表現中出較高的能源轉換效率和較強的循環穩定性。

技術領域

本發明屬于鋅空電池空氣陰極催化劑技術，具體涉及一種負載Ni單原子的嵌入式多孔Pd-C納米棒的制備方法及其應用。

背景技術

可充電金屬空氣電池因其高能量密度，價格低廉，安全性能好等優點受到人們的廣泛關注。由于可逆的氧氣反應較慢的動力學，在金屬-空氣電池中，每次的充電和放電過程必須要通過雙功能催化劑的催化才能得以進行，這種雙功能催化劑要同時對析氧反應(OER)和氧還原反應(ORR)都具有活性。通常將分別對于ORR和OER具有高活性的Pt基材料和Ru/Ir基材料物理混合，從而制成雙功能催化劑來滿足電池充電-放電的需求。然而，這種方法制成的材料由于其二者較差的相容性而難以控制其均勻混合，這樣既不高效，也不可靠。從長遠角度看，貴金屬電催化劑的高成本，貴金屬儲量稀少以及不盡如人意的穩定性將會嚴重限制它們的大規模應用。

研究現狀表明，在一系列貴金屬基催化劑當中，鈀（Pd）與鉑（Pt）的電子結構十分相似，且價格比鉑（Pt）便宜、儲量較為豐富，是一種極有潛力的鉑（Pt）基催化劑替代品。將鈀基納米材料作為氧還原反應的電催化劑，并且進一步調控其尺寸、結構、形貌，其氧還原活性和穩定性能夠與Pt媲美。此外，3d過渡金屬納米催化劑被廣泛使用于OER反應。已有研究表明，基于Ni-N_x的催化劑材料對OER具有非常高的催化活性，而且由于尺寸效應，單原子Ni的催化活性相比Ni納米團簇和Ni納米粒子表現出更為優異的性能。

但是，如何將Pd基納米材料和Ni-N_x納米材料的高催化活性結合在一起，設計合成同時同時具備Ni-N_x和Pd活性中心的納米材料仍然面臨著極大的挑戰。這是由于Ni-N_x-C納米材料的制備往往需要采取高溫還原的方法才可以得到（＞300^oC），而絕大部分Pd納米材料往往不具備耐高溫特性，在高溫條件下Pd納米粒子極易發生團聚、重構和合并，造成Pd表面活性位點的數量顯著降低。因此，很難在同一個合成體系里實現Ni-N_x和Pd活性中心的同步構建。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供了一種負載Ni單原子的嵌入式多孔Pd-C納米棒的制備方法及其應用，該方法制備出的嵌入式多孔Pd-C納米棒具有高電化學活性和穩定性，且在同一個合成體系里實現Ni-N_x和Pd活性中心的同步構建。

為解決現有技術問題，本發明采取的技術方案為：

一種負載Ni單原子的嵌入式多孔Pd-C納米棒的制備方法，包括如下步驟：在乙醇水溶液中加入PdCl₂和萘胺(C₁₀H₉N)兩種反應物，混合均勻后靜置，直至生成片狀Pd(II)-萘胺絡合物，將反應體系離心干燥后，所得固體粉末與NiPc粉末共同分散于THF溶劑中攪拌均勻后離心干燥，收集固體粉末并在惰性氣氛中高溫煅燒處理，冷卻，即得負載Ni單原子的嵌入式多孔Pd-C納米棒。

作為優選，所述的制備方法具體包括以下步驟：

1）合成黃色片狀Pd(II)-萘胺絡合物