[发明专利]一种多级碳纳米结构锚定的Ni-N4单原子催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多级碳纳米结构锚定的Ni‑N4单原子催化剂及其制备方法和应用，该催化剂以氮掺杂的多级碳纳米结构作为基底来锚定Ni原子，在该催化剂中一个Ni原子与四个N原子进行配位，形成Ni‑N4平面结构，从而Ni以单原子状态均匀分散在多级结构的碳‑氮基表面。本发明催化剂是一种在碱性条件下对氧还原反应具有很高的催化活性及稳定性的Ni单原子催化剂，本发明催化剂在碱性条件下对氧还原具有高的电催化活性，成本低廉、制备方法简单，可以发展成为取代Pt基催化剂的非贵金属催化剂，降低燃料电池成本，在燃料电池开发应用领域具有重要意义，适合工业化生产。

技术领域

本发明属于材料化学和电催化剂技术领域，具体涉及一种多级碳纳米结构锚定的Ni-N₄单原子催化剂(NiN₄-C)及其制备方法和应用。

背景技术

氧气还原反应(ORR)是电催化领域十分重要的基础反应，它不仅是燃料电池和金属-空气电池等可持续能源装置的首选阴极反应以及众多金属腐蚀过程的主要反应，而且也是生物体系中最重要的基础反应之一。然而ORR是一个包含多电子转移的多步骤复杂反应，而且反应动力学比较迟缓，因此为了实现有效的ORR需要合适的催化剂。

目前，Pt和Pt基合金催化剂是公认的ORR最好的催化剂之一，但是由于Pt有限的资源、昂贵的价格、易中毒以及复杂的制备工艺限制其应用。因此，人们开发了杂原子(N、B、P、S等)掺杂碳材料负载非贵金属Fe、Co、Ni催化剂，这些合成的催化剂中的催化位点是，以分散在碳基材料表面的金属氧化物、金属碳化物或金属氮化物颗粒作为催化活性位点。然而这些催化剂表面颗粒粒径大小难以控制，颗粒分布也不均匀，制备过程中容易发生团聚等现象，导致原子利用率过低。因此，如何制备高活性且稳定的单原子催化剂，从而提高原子利用率是电催化剂制备的核心问题之一。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多级碳纳米结构锚定的Ni-N4单原子催化剂，该催化剂是一种在碱性条件下对氧还原反应具有很高的催化活性及稳定性的Ni单原子催化剂。

本发明还提供一种多级碳纳米结构锚定的Ni-N4单原子催化剂的制备方法和应用。

技术方案：为了实现上述目的，如本发明所述一种多级碳纳米结构锚定的Ni-N4单原子催化剂(NiN₄-C单原子催化剂)，所述催化剂以氮掺杂的多级碳纳米结构作为基底来锚定Ni原子，在该催化剂中一个Ni原子与四个N原子进行配位，形成Ni-N4平面结构，从而Ni以单原子状态均匀分散在多级结构的碳-氮基表面。

本发明所述的多级碳纳米结构锚定的Ni-N4单原子催化剂，包括如下步骤：

(1)将含N的离子液体与镍盐混合，搅拌使其反应，得到均匀混合物；

(2)将步骤(1)中得到的混合物在氩气气氛下进行第一次高温热解，得到黑色固体；

(3)将步骤(2)中得到的黑色固体进行酸化、离心、洗涤、干燥，得到固体；

(4)将步骤(3)中得到的固体产物进行第二次高温热解，即得多级碳纳米结构锚定的Ni-N4单原子催化剂(NiN₄-C)。

其中，步骤(1)中所述含N的离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双氰胺(EMIM-dca)，所述镍盐选自硝酸镍、氯化镍、醋酸镍等中的一种或多种。

其中，步骤(1)中所述的将含N的离子液体与镍盐混合镍盐在其中的质量分数为5％-15％。

作为优选，步骤(1)中所述反应的温度为20-25℃，所述反应的时间为12-24h。

作为优选，步骤(2)中所述第一次高温热解的温度为700-1000℃，时间为2-4h。其中，步骤(3)中所述酸化为在浓度为2-6mol/L的硫酸或盐酸水溶液中加80-100℃热回流12-24h。