[发明专利]一种氮掺杂的石墨炔铆定的过渡金属单原子催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂的石墨炔铆定的过渡金属单原子催化剂及其制备方法和应用，该催化剂由氮原子掺杂在新型碳材料石墨炔载体中，过渡金属单原子通过与N、C原子之间的共价作用铆合在氮掺杂石墨炔表面，从而过渡金属以单原子的形式均匀分散在氮掺杂石墨炔表面形成。本发明的催化剂中过渡金属原子以单原子的状态均匀分散在氮‑石墨炔基催化剂表面，为氧化还原反应提供了大量的活性位点，同时采用石墨炔作为碳基底具有优异的形貌特征，有利于催化活性位点的形成，以及发挥单原子的催化优势。本发明的催化剂在碱性条件下对氧还原具有高的电催化活性，制备工艺简单有效，成本低廉，易于推广并投入生产，在燃料电池开发应用领域具有重要意义。

技术领域

本发明属于材料化学和电催化剂技术领域，具体涉及一种燃料电池阴极催化剂的制备方法，具体涉及一种氮掺杂的石墨炔铆定的过渡金属单原子催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池因为其优越的性能和对环境友好的清洁无污染性，在各类电池中显示出突出的优势，它能够将化学能直接转化为电能而且燃料利用率非常高，一直是能源研究领域的热点。氧气还原反应(ORR)是燃料电池的首先还原反应，也是生物体内重要的基础反应之一，但由于其反应动力学迟缓，反应步骤复杂，需要选择合适的催化剂提高其反应活性。铂及其合金催化剂具有高的能量效率和低的操作温度，是公认的ORR最好的催化剂之一。但由于其有限的资源，昂贵的价格，易中毒等缺点限制其应用。因此开发出替代Pt以及铂基催化剂的具有高的氧还原催化活性，高稳定性以及廉价的氧气还原催化剂一直是电催化领域研究的热点问题。

杂原子(N、B、P、S等)掺杂碳基材料负载的非贵金属(Fe、Co、Ni等)作为一种新的氧气还原催化剂近年来受到越来越多的关注。研究发现催化剂中的氮能与过渡金属原子配位形成TM-N结构，而这些TM-N结构是TM-N-C催化剂的催化活性位，金属颗粒尺寸减小到原子尺寸时，其比表面积和表面能都将发生倍增，在制备和反应的过程中非常容易发生团聚形成大的团簇，导致原子利用率过低，从而导致催化剂活性降低，限制了非贵金属催化剂的活性。因此，如何制备具有高活性且稳定的单原子催化剂，对于提高氧气还原催化(ORR)催化剂的催化活性具有重要意义。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种氮掺杂的石墨炔铆定的过渡金属单原子催化剂，该催化剂在碱性条件下对氧还原具有高的电催化活性，且成本廉价，制备方法简单，适合工业化生产。

本发明还提供一种氮掺杂的石墨炔铆定的过渡金属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，如本发明所述一种氮掺杂的石墨炔铆定的过渡金属单原子催化剂，由氮原子掺杂在新型碳材料石墨炔载体中，过渡金属单原子通过与N、C原子之间的共价作用铆合在氮掺杂石墨炔表面，从而过渡金属以单原子的形式均匀分散在氮掺杂石墨炔表面形成催化剂。

作为优选，所述的过渡金属单原子包括铁、钴、镍中的任意一种或两种以上的组合。

本发明所述的氮掺杂的石墨炔铆定的过渡金属单原子催化剂，包括如下步骤：

(1)将石墨炔与含N有机小分子在有机溶剂中充分搅拌，使其反应，反应后干燥得到混合物A；

(2)将步骤(1)中的混合物A在惰性气气氛下进行高温热解，得到黑色固体B；

(3)将步骤(2)中得到的黑色固体与过渡金属盐分散在水中，在惰性气气氛下搅拌反应得到混合物C，超声、离心得固体沉淀D；

(4)将步骤(3)中得到的固体沉淀D分散在水中，在惰性气氛下将还原剂加入上述分散液，搅拌反应，反应后产物离心洗涤得到固体沉淀E；

(5)将步骤(4)中得到的固体沉淀E酸化后，离心洗涤干燥得到黑色固体F，即得到氮掺杂的石墨炔铆定的过渡金属单原子催化剂。