[發明專利]一種金屬單原子催化劑及其制備方法

在審

• 申請號: 202310287968.6
• 申請日: 2023-03-17
• 公開（公告）號: CN116516391A
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 林貽超;張秋菊;陳亮
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: C25B11/075
• 分類號: C25B11/075;C25B11/065;C25B11/054;B01J27/24;B01J37/02
• 代理公司: 寧波甬致專利代理有限公司 33228
• 代理人: 胡天人

本發明提供了一種金屬鐵單原子催化劑的制備方法，包括以下步驟：S1：將長鏈有機胺負載于多孔炭材料的孔道中，得到負載長鏈有機胺多孔炭材料；S2：通過浸漬的方法將鐵離子或者亞鐵離子嫁接到所述負載長鏈有機胺多孔炭材料的氨基上；S3：通過在惰性氣氛下高溫碳化和酸刻蝕，結束后離心、洗滌和干燥得到金屬鐵單原子材料得到金屬鐵單原子催化劑。通過本發明提供了一種簡單且制備材料成本低的金屬鐵單原子催化劑制備方法，并且將所述鐵單原子催化劑應用于電化學中，得到了較高的電化學氧氣還原性能，且循環壽命長。

技術領域

本發明涉及催化劑制備技術領域，具體而言，涉及一種金屬單原子催化劑及其制備方法。

背景技術

2011年中國科學院大連化學物理研究所張濤院士等人在《自然化學》上提出了金屬單原子催化的概念(Nature?Chemistry,2011,3?634-641)，并迅速受到了廣泛的關注。經過了短短十余年的發展，金屬單原子催化已經成為了催化領域的研究前沿和熱點，也是目前學術界最活躍的研究方向之一。

目前制備金屬單原子催化劑的策略主要有液相浸漬、原子層沉積、金屬氫氧化物/聚合物核殼結構策略和光電化學策略。然而這些方法存在原料昂貴、操作復雜或者設備要求高等缺點，目前只限于學術研究，難以實際推廣使用。近年來，金屬-有機框架材料作為金屬單原子催化劑制備前驅體的研究屢見報道并收到青睞(Nature?Reviews?Chemistry,2018,2,65-81；Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,6937-6941)。例如中國科學院寧波材料所林貽超等人基于選擇具有聯吡啶基團的Zr基金屬有機框架材料(如UiO(bpdc))，通過后處理修飾方法將金屬鹽前驅體配位在到聯吡啶基團上，然后在惰性氣氛下進行碳化并酸刻蝕獲得金屬單原子催化劑，其中金屬鐵單原子具有非常優異的電化學氧還原的催化性能(Advanced?Materials,2019,31,1808193)，然而，該方法所采用的Zr基金屬有機框架材料制備過程繁瑣且制備原料昂貴。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種金屬鐵單原子催化劑的制備方法，以解決常規方法制備過程繁瑣且制備原料昂貴的問題。

為解決上述問題，本發明提供了一種金屬鐵單原子催化劑的制備方法，包括以下步驟：

S1：將長鏈有機胺負載于多孔炭材料的孔道中，得到負載長鏈有機胺多孔炭材料；

S2：通過浸漬的方法將鐵離子或者亞鐵離子嫁接到所述負載長鏈有機胺多孔炭材料的氨基上；

S3：通過在惰性氣氛下高溫碳化和酸刻蝕，得到金屬鐵單原子催化劑。

作為優選的方案，所述金屬鐵單原子通過與氮原子的配位作用均勻分散于N摻雜的C材料中。

作為優選的方案，所述多孔碳材料通過高溫碳化生物質或高分子聚合物制備獲得，所述多孔炭材料的比表面積大于1000m²·g^-1，孔徑大于2nm。

作為優選的方案，所述步驟S1中，所述負載的方法包括：將長鏈有機胺溶解于溶劑中得到長鏈有機胺溶液，將多孔炭材料加入到所述長鏈有機胺溶液中并進行攪拌，直至干燥。

作為優選的方案，所述步驟S1中，所述長鏈有機胺和所述多孔碳材料的比例為(0.1-1.2):1。

作為優選的方案，所述步驟S1中，所述長鏈有機胺為聚乙烯亞胺、聚苯胺中的一種或兩種，且分子量為1000-70000。

作為優選的方案，所述步驟S2中，所述浸漬的方法包括：將所述負載長鏈有機胺多孔炭材料加入到含有鐵離子或者亞鐵離子的金屬鹽溶液進行攪拌浸漬。

作為優選的方案，所述溶劑和所述金屬鹽溶液的溶劑為甲醇、乙醇和水中的一種。