[發明專利]一種基于鎳鋅層狀雙金屬氫氧化物固相剝離制備的鎳單原子催化劑及其制備方法、應用

在審

• 申請號: 202210025065.6
• 申請日: 2022-01-11
• 公開（公告）號: CN116459853A
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 張平;陳浩;付瑩珂;陳林
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;B01J37/04;B01J37/08;B01J37/10;C25B1/23;C25B11/054;C25B11/091
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本發明公開了一種基于鎳鋅層狀雙金屬氫氧化物固相剝離制備的鎳單原子催化劑及其制備方法、應用，屬于單原子催化劑技術領域。一種基于鎳鋅層狀雙金屬氫氧化物固相剝離制備的鎳單原子催化劑，通過水熱法首先制備NiZn?LDH，再通過熔融共混技術將NiZn?LDH進行固相剝離，得到單層NiZn?LDH剝離復合材料，最后將單層NiZn?LDH剝離復合材料與具有碳氫氮三種元素的氮源進行高溫無氧煅燒，即制得鎳單原子催化劑。本發明所得鎳單原子催化劑結構穩定，制備過程容易控制且能夠宏量化生產；在相對于可逆氫電極的?0.9V的偏電壓下，實現大于96%的法拉第效率且12h不衰減，是一種比較有前景的二氧化碳還原電催化劑。

技術領域

在本發明屬于單原子催化劑技術領域，特別是涉及一種基于鎳鋅層狀雙金屬氫氧化物固相剝離制備的鎳單原子催化劑及其制備方法、應用。

背景技術

在單原子催化劑是近年來催化領域的研究熱點，它結合了多相催化劑和均相催化劑的優點，并以其獨特的特性彌補了兩者之間的差距。與均相催化劑相比，單原子催化劑最大限度地提高了原子利用率，具有可調諧的電子環境的催化活性位點，具有高催化活性或/和選擇性，同時與均相催化劑相比，單原子催化劑具有更好的穩定性。在過去的幾年，無論在制備過程中還是在應用過程中，活性原子都有強烈的遷移和聚集趨勢，因此單原子催化劑的可控制備仍然具有挑戰性。為此，在合適的載體上支撐單分散原子是制備單原子最可行、最有效的方法。在單原子催化劑中，固定在氮摻雜碳載體的原子金屬（記為?CN-M）引起了人們的特別關注，特別是在電催化領域。由于氮不僅可以有效地固定和穩定單金屬原子在碳基底上，而且可以調節金屬和碳原子的電子結構，優化中間體的吸附/解吸，提高催化性能。此外，碳載體很容易用于商業用途，并具有高度的導電性，可加速反應過程中的電子轉移。當前制備CN-M催化劑的方法是通過前驅體吸附陽離子在進行煅燒，例如石墨烯，MOF等前驅體吸附金屬陽離子在惰性氣氛下進行煅燒從而得到金屬單原子錨定于碳基底。此方法操作過程復雜，耗時長且具有一定的隨機性，不易于工業制備單原子催化劑。這些問題亟待解決。本發明提供一種基于鎳鋅層狀雙金屬氫氧化物（NiZn-LDH）固相剝離制備的鎳單原子催化劑及其制備方法、應用，可高效、弘量化生產鎳單原子催化劑。

發明內容

基于上述存在的問題，本發明的第一個目的是：提供一種基于鎳鋅層狀雙金屬氫氧化物固相剝離制備的鎳單原子催化劑，該催化劑通過水熱法首先制備NiZn-LDH，再通過熔融共混方式將NiZn-LDH化合物進行固相剝離，得到單層NiZn-LDH剝離復合材料，最后將單層NiZn-LDH剝離復合材料與具有碳氫氮三種元素的氮源進行高溫無氧煅燒，即制得鎳單原子催化劑。這種鎳單原子催化劑形貌為二維片層結構，無金屬納米顆粒，金屬以單個原子狀態分散于碳基底，該鎳單原子催化劑具有良好的穩定性。

本發明的另一個目的是：提供一種基于鎳鋅層狀雙金屬氫氧化物固相剝離制備的鎳單原子催化劑的制備方法，首先通過采用水熱合成法合成NiZn-LDH，利用固相剝離劑將NiZn-LDH剝離成單片層LDH（層狀雙氫氧化物），形成單層NiZn-LDH剝離復合材料，該單層NiZn-LDH剝離復合材料與三聚氰胺進行混合，并在惰性氣氛下進行高溫無氧煅燒，由于鋅在高溫下易揮發，從而能夠有效避免其煅燒后形成納米顆粒，使金屬鎳以原子的形式錨定于碳基底，制得鎳單原子催化劑。這樣可以解決鎳單原子催化劑制備流程復雜、不易宏量化的問題。

本發明的另一個目的是：提供一種基于鎳鋅層狀雙金屬氫氧化物固相剝離制備的鎳單原子催化劑的應用，該鎳單原子催化劑可以作為還原劑，用于二氧化碳的還原，該鎳單原子催化劑在相對于可逆氫電極?-0.9?V下能夠穩定12h，是一種比較有前景的二氧化碳還原電催化劑。

為了解決本發明所述的技術問題，本發明提供的技術方案為：

一種基于鎳鋅層狀雙金屬氫氧化物固相剝離制備的鎳單原子催化劑，其獲得方式為：通過水熱法首先制備NiZn-LDH，再通過熔融共混方式將NiZn-LDH進行固相剝離，得到單層NiZn-LDH剝離復合材料，最后將單層NiZn-LDH剝離復合材料與具有碳氫氮三種元素的氮源進行高溫無氧煅燒，即制得鎳單原子催化劑。