[发明专利]一种锌掺杂类石墨烯催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种锌掺杂类石墨烯催化剂及其制备方法及和在电化学还原氮气反应中的应用，包括以下步骤：步骤1，将尿素、锌源和柠檬酸加入水中，搅拌进行混合，干燥后得到前驱体；步骤2，将前驱体在惰性气氛下进行高温炭化，高温炭化分为两个过程，第一个过程炭化温度为500‑600℃，第二个过程炭化温度为900‑1100℃。本发明不但制备方法简单，且能将金属以单原子或小团簇的形态负载在类石墨烯材料上，同时制备的催化剂具有高效催化氮气还原的性能和很好的稳定性。

技术领域

本发明属于电催化领域，具体为一种锌掺杂类石墨烯催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

电化学合成氨催化剂的种类较多，包括贵金属电催化剂、非贵金属金属电催化剂及其化合物、导电聚合物、单原子电催化剂等。碳基催化材料因其具有较高的表面积、良好的导电性、可以调控的孔隙率和丰富的缺陷位等优势受到广泛关注。单原子金属或团簇掺入碳材料骨架后，不仅能够提升金属催化剂的原子利用率，还可以打破碳的电中性，增加电荷和自旋密度，将惰性碳转化为活性的电催化剂。

类石墨烯材料具有原子级厚度和无限平面拓展的超薄二维结构，类似于石墨烯层状结构，是一种有带隙的二维材料。类石墨烯由单层或少层的原子或者分子层组成，层内由原子较强的共价键或离子键连接，而层间则由作用力较弱的范德华力结合。多层材料容易剥离成少层，随着层数的减少，伴随出现一些独特的特性和功能。类石墨烯种类很多，包括金属硫族化合物、过渡金属碳化物或氮化物、碳氮化合物、六方氮化硼等。

金属是一种很好的导电材料和催化活性材料，但其表面积较低，导致原子利用率不高，而单原子金属具有原子大小、良好的导电性和独立位置，原子利用率高，还拥有不饱和配位和独特的电子结构，是催化领域的新兴研究前沿。但是单原子高表面能容易导致团聚，对催化位点造成破坏。

因此寻找一种简单的制备方法，将金属以单原子或小团簇的形态负载在类石墨烯材料上，保持较大的比表面积同时实现金属催化活性位点的均匀分布，是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种锌掺杂类石墨烯催化剂及其制备方法和在电化学还原氮气反应中的应用，不但制备方法简单，且能将金属以单原子或小团簇的形态负载在类石墨烯材料上，同时制备的催化剂具有高效催化氮气还原的性能和很好的稳定性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种锌掺杂类石墨烯催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将尿素、锌源和柠檬酸加入水中，搅拌进行混合，干燥后得到前驱体；

步骤2，将前驱体在惰性气氛下进行高温炭化，高温炭化分为两个过程，第一个过程炭化温度为500-600℃，第二个过程炭化温度为900-1100℃。

优选的，步骤1中，锌源为硝酸锌。

进一步的，步骤1中，硝酸锌与尿素摩尔比为1:2000，第二个过程炭化温度为900℃。

优选的，步骤1中，锌源与尿素的摩尔比为1:(10³-10⁴)。

优选的，步骤1中，搅拌时间为2-4h。

优选的，步骤2中，第一个过程炭化时间为1-2h；第二个过程炭化时间为1-2h。

所述的制备方法制备得到的锌掺杂类石墨烯催化剂。

所述的锌掺杂类石墨烯催化剂在电催化还原氮气反应中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：