[發明專利]一種高缺陷氮化硼擔載的原子級分散金屬催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 202210366548.2
• 申請日: 2022-04-08
• 公開（公告）號: CN114653371B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 何純挺;劉敏玲;章佳
• 申請（專利權）人: 江西師范大學
• 主分類號: B01J23/75
• 分類號: B01J23/75;B01J27/24;B01J35/00;H01M4/90
• 代理公司: 南昌華成聯合知識產權代理事務所(普通合伙) 36126
• 代理人: 張建新

本發明公開了一種高缺陷氮化硼擔載的原子級分散金屬催化劑的制備方法及其在能源催化領域的應用。本發明首次通過一鍋法將氮化硼層包覆在碳納米管外圍，再使用硼酸溶液刻蝕氮化硼表面制造大量缺陷，然后通過浸漬金屬鹽溶液后在氨氬混合氣氛下熱解得到富缺陷氮化硼擔載的原子級分散金屬催化劑X@e?BN@CNT（X=Co,Ni,Fe等）。制備的氮化硼包覆層厚度僅為1.70?nm，約為5層，具有大量缺陷，擔載的金屬以原子級均勻分散。該原子級分散金屬催化劑的制備方法簡單、成本較低，在能源催化領域具有潛在的商業應用價值，可用于電催化水分解、氧還原反應（ORR）、二氧化碳還原反應（COsubgt;2/subgt;RR）、有機催化反應、鋅空電池等催化反應及能源器件。

技術領域

本發明涉及納米材料的制備及能源催化領域，具體涉及高缺陷氮化硼擔載的原子級分散金屬催化劑的合成及其在能源催化領域的應用。

背景技術

近年來，金屬原子級分散催化劑憑借其超高的原子利用率、獨特的物理化學特性及優異的催化性能，已成為目前能源催化領域研究的熱點，被廣泛應用于催化領域中，如熱催化、電催化、光催化等領域。金屬原子級分散催化劑的載體除了可以約束金屬的原子級分散，還能產生一定的協同作用，影響催化劑的性能。目前，常用的原子級分散金屬催化劑載體是碳材料，如碳納米管、石墨烯、MOF衍生物等。但是，碳材料往往需要從外部引入連接金屬原子的氧或氮、硫、磷等雜原子，提升原子級分散金屬原子的催化性能。這些合成策略相對復雜，成本較高，同時難以確定催化劑的內部配位環境。

二維非金屬載體氮化硼與石墨烯結構類似，具有密度低、比表面積大、成本低，化學和熱穩定性高，能抵抗電化學腐蝕等許多獨特的優點，同時組成元素中的硼和氮原子亦可調控活性中心金屬的電子結構，影響催化活性。氮化硼表面是金屬粒子的惰性載體，難以與金屬形成強相互作用，因此需要通過引入缺陷，為金屬原子的錨定提供理想的位點。目前制造缺陷的方式主要有電子束或離子濺射等，能耗和成本較高。同時超薄的包覆層可以有效減少氮化硼層間絕緣的影響，加速層間電子傳輸，進而提高其電催化性能。而制備單層或少層的氮化硼納米片通常使用化學剝離、機械剝離六方氮化硼塊，化學氣相沉積等方法，均不夠簡便，較高的設備要求導致無法實現廣泛應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高缺陷氮化硼擔載的原子級分散金屬催化劑的方法。

本發明的目的通過以下技術方案予以實現：

將尿素、硼酸與碳納米管混合研磨后，在氨氬混合氣氛下于800~1100℃反應；再將獲得的粉末與硼酸溶液混合并加熱處理，之后用水洗滌，得到富缺陷氮化硼復合材料；然后將富缺陷氮化硼復合材料與金屬鹽溶液混合，超聲處理，冷凍干燥，最后在氨氬混合氣氛下于650~850℃熱處理，得到高缺陷氮化硼擔載的原子級分散金屬催化劑。

優選地，所述金屬鹽溶液可以為硝酸金屬鹽、醋酸金屬鹽或氯化金屬鹽。

優選地，所述金屬鹽溶液中的金屬可以為Co、Fe、Ni等過渡金屬中一種或若干種的混合物。

優選地，所述尿素與硼酸的摩爾比可以為3~5。

優選地，所述硼酸溶液的濃度可以為0.1~0.5?mol/L，加熱處理時間可以為10~40分鐘。

優選地，所述碳納米管可以為無碳納米管、多壁碳納米管、單壁碳納米管、氨基碳納米管、羧基碳納米管、羥基碳納米管、或硝基碳納米管。

本發明另一目的在于提供上述方法得到的高缺陷氮化硼擔載的原子級分散金屬催化劑的應用，所述高缺陷氮化硼擔載的原子級分散金屬催化劑可以應用于電催化水分解反應、氧還原反應（ORR）、二氧化碳還原反應（CO₂RR）、有機催化反應及鋅空電池等。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

（1）本發明首次選用高缺陷氮化硼作為原子級金屬催化劑載體；