[发明专利]一种单原子铁基碳材料及制备方法和电催化应用

说明书

本发明公开了一种单原子铁基碳材料及制备方法和电催化应用。该方法是将一定质量的柠檬酸铁铵粉末溶解于特定体积的去离子水中，而后加入沸石咪唑骨架结构材料ZIF‑7，剧烈搅拌4～24小时后离心水洗干燥得黄色固体粉末；将一定质量的黄色固体粉末置于石英舟内，然后放入装有石英管的卧式管式炉中；在惰性气氛下升高温度至600～1100℃，并保持2～12小时，自然冷却至室温；在酸溶液和低于90℃的温度下处理8～24小时，过滤水洗干燥后，得到单原子铁基碳材料。本发明所使用的前驱体来源广泛且制备过程简易，可实现批量化宏量制备。

技术领域

本发明涉及一种经过柠檬酸铁铵修饰的沸石咪唑骨架结构材料为前驱体，通过高温热解和酸处理过程制备单原子铁基碳材料的方法及其电催化应用。

背景技术

与传统的金属纳米粒子化合物相比，单原子材料具有高度分散的原子结构，使得其在电化学和传统催化领域呈现出了不同的特性。借助于碳基底丰富的比表面积和孔道结构及优异的导电导热性能，单原子铁基碳材料在气体分离吸附、催化反应、电化学能量转化过程中具有广阔的应用前景，相关领域的研究逐年递增。现有制备单原子材料方法主要包括浸渍法、共沉淀法和模板法等，这些方法借助于特定基团(单元)对于金属原子的锚定和限域作用实现材料在原子级别的高度分散。

中国专利CN106914237A公开了一种金属单原子的制备方法：金属单原子包括Pt、Ag、Au、Pd、Rh、Ir、Ru、Co、Ni和Cu，和负载在氧化钛、氧化锌、氧化铈、氧化铝、氧化硅、氧化铁、氧化锰、C₃N₄、介孔碳、超薄碳膜、石墨烯、碳纳米管或分子筛材料等的金属单原子。首先配置一定浓度的前驱体溶液，待将溶液冷冻后，在冰相下，通过外场或者冰块中的反应物之间的反应对冰块进行处理。待冰块融化后，最终得到单原子溶液。将单原子溶液与各种材料混合，超声，过滤，清洗，干燥，最终得到负载在各种材料上的单原子。

中国专利CN106861746A公开了一种金属单原子的制备方法：主要涉及一种氮化碳负载单分散氧化态金属原子催化材料的制备方法，具体是一种层状石墨相氮化碳负载单分散氧化态金属M原子复合材料(M为Zn、V、Fe、Co、Ni、Sn、Pb、Cu、In、Mn中的一种或二种以上)的制备方法，属于催化材料领域。此发明采用金属前驱体和碳氮前驱体络合的方式抑制金属原子的团聚，通过一步热解金属碳氮加合物制备氮化碳负载单分散氧化态金属原子催化材料，其中金属M以部分或者完全氧化态单原子形式存在，并且负载金属原子的种类和组分可根据需要进行调控。

中国专利CN106876728A公开了一种金属单原子的制备方法：将含氮前驱体、碳源和可溶性过渡金属盐在水中溶解，然后经蒸发干燥、研磨、煅烧得到高密度过渡金属单原子负载石墨烯基催化剂。此发明仅利用可溶性金属盐，以葡萄糖等作为碳源，二氰二胺作为氮掺杂源，只利用一步煅烧法就成功制备出了具有高活性位点密度、高单原子担载量的高效催化剂。

综上所述，现有制备单原子催化剂的缺点在于工艺过程复杂且利用了特殊工艺，制备过程变量因素多造成产物形貌可控度较差，限制了实验合成的可重复性，并且产物收率较低，不利于材料的宏量制备。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种单原子铁基碳材料及制备方法和电催化应用，仅仅利用室温水相浸渍、煅烧热解的简易手段就实现了铁元素原子级别的分散，原材料来源广泛，具有较低的生物毒性，制备过程仅采用水作为溶液，不涉及高毒有机溶剂。铁元素内嵌于碳-氮骨架中，热稳定性高，且在电化学测试中与测试后铁元素的原子级别分散得到了很好的保持，在氧还原半电池测试加速循环伏安老化实验中的稳定性高于商品化铂基催化剂。在甲醇燃料电池测试中，相比商品化铂碳催化剂，该单原子铁基碳材料表现出了很强的抗甲醇毒化性能，所获最高功率密度是商品化铂碳催化剂对应值的1.7倍。