[发明专利]一种柔性碳基载体负载金属单原子催化剂及其制备方法和应用

权利要求书

1. 一种柔性碳基载体负载金属单原子催化剂，其特征在于：该催化剂由金属单原子和杂原子配位锚定在石墨烯上，且石墨烯负载在柔性碳基载体上构成；所述催化剂的组成为：金属单原子的含量为0.001 wt%~4.0 wt%，石墨烯含量为6 wt%~34.999 wt%，碳基载体含量为50 wt%~80 wt%，杂原子含量为5 wt%~20 wt%；

所述的柔性碳基载体负载金属单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）将金属前驱物、含氮前驱物与石墨烯粉末在溶剂中混合，制备得到均质的混合浆料；

（2）将步骤（1）所制备的混合浆料均匀负载在柔性碳基载体上，经干燥后得到负载有金属前驱体、含氮前驱体和石墨烯的柔性碳基载体；

（3）多步骤缓慢高温热处理步骤（2）所得的柔性碳基载体，使金属前驱物与含氮前驱物在高温状态下发生配位反应；

（4）先经酸洗涤，然后用去离子水反复多次洗涤至中性后，干燥得到柔性碳基载体负载金属单原子催化剂。

2.一种权利要求1所述的柔性碳基载体负载金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将金属前驱物、含氮前驱物与石墨烯粉末在溶剂中混合，制备得到均质的混合浆料；

（2）将步骤（1）所制备的混合浆料均匀负载在柔性碳基载体上，经干燥后得到负载有金属前驱体、含氮前驱体和石墨烯的柔性碳基载体；

（3）多步骤缓慢高温热处理步骤（2）所得的柔性碳基载体，使金属前驱物与含氮前驱物在高温状态下发生配位反应；

（4）先经酸洗涤，然后用去离子水反复多次洗涤至中性后，干燥得到柔性碳基载体负载金属单原子催化剂。

3.根据权利要求2所述的柔性碳基载体负载金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的金属前驱物包含但不局限于酞菁钴、酞菁铁、酞菁铜、酞菁锌、酞菁镍、卟啉铁、卟啉铜、卟啉锌、卟啉钴、维生素B12、二茂铁、铁蛋白、超氧化物歧化酶、固氮酶或羧肽酶中的一种或几种；

所述的含氮前驱物包含但不局限于双氰胺、半胱胺酸、谷氨酸、赖氨酸、三聚氰胺、乙二胺、尿素、苯胺或聚乙烯亚胺中的一种或几种；

所述的分散体系由以下质量分数的原料制成：

金属前驱物：5 wt%~9.9 wt%，

含氮前驱物：80 wt%~90 wt%，

石墨烯：0.1 wt%~15 wt%。

4.根据权利要求2所述的柔性碳基载体负载金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的溶剂包含但不局限于水、甲醇、乙醇、丙酮、NaOH水溶液或异丙醇中的一种或几种；所述的混合方式包含搅拌混合或超声混合；

所述的搅拌混合包含磁力搅拌或机械搅拌，搅拌时间为3~10 h，搅拌温度为25~40 ℃；

所述的超声混合，超声频率为100~1200 W，超声时间为1~4 h，超声温度为20~50 ℃。

5.根据权利要求2所述的柔性碳基载体负载金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的柔性碳基载体包含但不局限于碳纤维布、纤维素布、尼龙布、竹纤维布、三聚氰胺泡沫或石墨烯膜中的一种或几种。

6.根据权利要求2所述的柔性碳基载体负载金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）所采用的负载方法包含浸润法、旋涂法或刮涂法中的一种；

所述的浸润法为：混合浆料的固含量为：5%~30%，将所述碳基载体浸润在混合浆料中30~60 min，取出在真空干燥箱中烘干，烘干温度60~100 ℃，时间2~5 h，然后再反复多次浸润到混合浆料中，循环浸润烘干10~50次；

所述的旋涂法为：混合浆料的固含量为40%~60%，旋涂速率为100~1000 rpm，时间为1~5h；

所述的刮涂法为：混合浆料的固含量为65%~80%，采用刮刀将混合物均匀涂刮在柔性碳基载体的两个表面，刮涂的厚度为20~60 mm。