[发明专利]一种钼单原子催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种钼单原子催化剂及其制备方法和应用。本发明提供的钼单原子催化剂包括：多孔碳骨架；和通过碳氮原子锚定在所述多孔碳骨架上的钼单原子。本发明提供的钼单原子催化剂具有良好的催化性能和稳定性。本发明提供的制备方法包括以下步骤：a)含钼的多酸基金属有机框架在氮气和/或稀有气体气氛中进行热解，之后用盐酸溶液刻蚀，得到碳负载MoO₃；b)用氨水刻蚀所述碳负载MoO₃中的MoO₃，之后在氨气气氛中加热反应，得到钼单原子催化剂；所述钼单原子催化剂包括多孔碳骨架和通过碳氮原子锚定在所述多孔碳骨架上的钼单原子。本发明提供的制备方法操作方便，简单易行，不需要昂贵的仪器。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种钼单原子催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

锌空气燃料电池是一种将化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，它具有能量密度高、价格低廉、绿色环保、安全便携等优点，被专家们认为是未来电动汽车、无人机以及便携式电子产品(如助听器)的理想电源。锌空气燃料电池已经被美国能源部和中国科技部授权成立的“美中能源环境技术交流中心”作为中美合作的重点项目。锌空气燃料电池是以锌为负极，空气作为正极，放电时正、负极和总反应的化学方程式如下：

负极：Zn+4OH^-→Zn(OH)₄^2-+2e^-；

Zn(OH)₄^2-→ZnO+H₂O+2OH^-；

正极：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-；

总反应：2Zn+O₂＝2ZnO。

其中，正极上发生的氧还原反应由于涉及多电子转移，动力学过程缓慢，因此必须使用催化剂来加快其反应速率。尽管铂碳(Pt/C)催化剂的氧还原反应的活性比较高，但是由于Pt在地壳中储量稀少且价格昂贵，因此限制了Pt/C催化剂的大规模应用。锌空气燃料电池商业化应用的技术瓶颈在于缺乏廉价的高效催化剂来驱动正极上发生缓慢的氧还原反应。

单原子催化剂具有100％的原子利用率、低的配位环境以及完全暴露的催化活性位点，有望解决当前锌空气燃料电池面临的技术瓶颈。但是由于金属单原子具有高的表面能，非常容易发生团聚，因此制备单原子催化剂仍然存在巨大挑战。传统制备单原子催化剂方法是用原子层沉积法，但这种制备方法仪器设备昂贵、步骤复杂而且这种方法制备的单原子与载体之间缺少化学键连接，因此稳定性也较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钼单原子催化剂及其制备方法和应用，本发明提供的钼单原子催化剂具有良好的催化性能和稳定性；本发明提供的制备方法操作方便，简单易行，不需要昂贵的仪器。

本发明提供了一种钼单原子催化剂，包括：

多孔碳骨架；

和通过碳氮原子锚定在所述多孔碳骨架上的钼单原子。

优选的，所述钼单原子催化剂的比表面积为700～800m²/g。

本发明提供了一种钼单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

a)含钼的多酸基金属有机框架在氮气和/或稀有气体气氛中进行热解，之后用盐酸溶液刻蚀，得到碳负载MoO₃；

b)用氨水刻蚀所述碳负载MoO₃中的MoO₃，之后在氨气气氛中加热反应，得到钼单原子催化剂；