[發明專利]單原子鐵摻雜的氮碳材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210554389.9
• 申請日: 2022-05-20
• 公開（公告）號: CN114808018A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 呂宏虹;馬春路;李思元;沈伯雄
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B1/23;C01B32/05
• 代理公司: 天津市君硯知識產權代理有限公司 12239
• 代理人: 高文迪

本發明公開了一種單原子鐵摻雜的氮碳材料及其制備方法和應用，制備方法包括：將鐵鹽、生物炭和水混合，干燥至形成固體，在惰性氣體或者氮氣環境下，將所述固體升溫至300～650℃并于該溫度保持1～3h，再升溫至900～1100℃并于該溫度保持1～2h，冷卻至室溫，得到氮碳材料，本發明的制備方法簡單，原材料成本低。氮碳材料作為催化劑在0.1M KHCO₃電解液中電催化還原CO₂中表現出較高的催化活性，Tafel斜率為70mv dec^?1，活性中心Fe?Nx的構成以及材料的多孔結構，使得催化劑在較低的過電位?0.6V下FECO達到93％；具有良好的材料穩定性。

技術領域

本發明屬于環境功能材料技術領域，具體來說涉及一種單原子鐵摻雜的氮碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著溫室氣體引發的環境問題日益嚴峻，以及化石能源等不可再生能源儲量的減少，二氧化碳的捕集與利用顯得格外重要，急需開發出高效技術將二氧化碳轉化為有價值的化學能源利用起來。電催化還原法是在加電能的作用下，將CO₂還原為增值產品，具有操作簡單、反應條件可控等優點，且電催化過程需要的電能還可由太陽能、風能等可再生能源進行提供，實現綠色可持續發展。然而，C＝O的高鍵能(750kJ mol^-1)這意味著激活CO₂分子需要高過電位。因此，有效的電催化劑是提高電催化CO₂RR性能的必要條件。

在過去的研究中，研究人員已經開發出一系列的催化劑應用于電催化還原CO₂，如金屬單質、金屬氧化物、金屬合金、碳基材料和N摻雜的碳基材料等，但催化劑的催化效果并不理想，此時單原子催化劑的提出引起人們廣泛的研究興趣。單原子金屬具有較高的表面能，單原子催化劑具有高選擇性、高穩定性、可以重復循環使用等特點。Sui等研究了將貴重金屬銀(Ag)負載到氮摻雜的碳材料表面，制備出的單原子Ag-N₃/PCNC可以在較低的過電位下將CO₂轉化為CO，具有較高的CO法拉第效率(FECO)，但存在價格昂貴，資源有限，穩定性差等問題，極大制約大規模商業化應用。

目前，已有研究提出M-N-C結構的催化劑，通過N的摻雜和碳材料(C)的支撐提高單原子過度金屬(M)的活性。Fe-N-C催化劑在眾多過渡金屬催化劑中具有優異表現，宗子傲等公開了一種Fe-N-C納米線催化劑的制備方法(宗子傲,范傳濱,黃桂梅,龐雅琴,賓貽東,韋良家等.一種Fe-N-C納米線催化劑的制備方法，202111262456.1)，然而其制備Fe-N-C的原材料包括Zn(NO₃)₂·nH₂O、FeCl₂·mH₂O、2-甲基咪唑、碘化鉀、甲醇，制備步驟中涉及的緩慢滴加、攪拌、分離等是為了得到摻雜Fe的ZIF-8前驅體，然后煅燒才能得到Fe-N-C結構材料。同樣的，王吉德等公開了一種用于提高電催化氧還原性能的鐵氮共摻雜碳納米催化材料(王吉德,馮超,郭媛,謝月洪,張莉,陳廷祥等.(2020).一種用于提高電催化氧還原性能的鐵氮共摻雜碳納米催化材料.CN111082084A)，其中涉及到的Fe@N-C結構需要利用2-甲基咪唑或苯并咪唑中氮原子上的孤對電子競爭配位作用才能成功得到富氮的Fe@N-C材料。可見，目前針對Fe-N-C結構的制備通常需要采用先配位Fe-N前驅體，再高溫碳化Fe-N-C的方式，制備過程較為復雜。且同類材料多被用于陽極材料，測試其氧還原能力(ORR)。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種單原子鐵摻雜的氮碳材料的制備方法。

本發明的另一目的是提供上述制備方法獲得的單原子鐵摻雜的氮碳材料。

本發明的另一目的是提供上述氮碳材料作為催化劑在提高電催化還原CO₂的CO法拉第效率中的應用。

本發明的目的是通過下述技術方案予以實現的。