[发明专利]一种石墨炔负载单原子催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨炔负载单原子催化剂的制备方法，属于制备单原子催化剂技术领域，解决了现有金属单原子和载体材料在持续高温下并不稳定，很容易导致原子团聚和载体结构破坏的技术问题。该方法包括：步骤1、将六溴苯和碳化钙混合后溶于乙醇中并研磨；步骤2、将生成的反应产物进行离心、洗涤和煅烧处理；步骤3、将煅烧产物酸洗处理，得到石墨炔；步骤4、将石墨炔在金属前驱体溶液中浸泡处理得到负载金属前驱体的石墨炔；步骤5、利用焦耳加热处理负载金属前驱体的石墨炔至一定温度，得到石墨炔负载金属单原子催化剂。本发明制备的单原子催化剂能够防止持续性高温破坏催化剂载体的稳定性，避免了原子团聚。

技术领域

本发明涉及制备单原子催化剂技术领域，尤其涉及一种石墨炔负载单原子催化剂的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是在可再生能源中发挥重要作用的关键技术之一。然而，动力学缓慢的氧还原反应(ORR)极大地限制了燃料电池的商业应用。目前，铂(Pt)及其合金是最有效的ORR催化剂。然而，Pt基催化剂的高成本、易中毒以及稳定性差等，极大地限制了其大规模的实际应用。因此，降低贵金属催化剂的载量或开发非贵金属催化剂是很有必要的。

单原子催化剂是负载型金属催化剂分散的最理想状态，其可以最大限度地发挥了活性金属位点的利用效率，并提高催化反应的均一性和选择性，是当前催化领域的研究热点。常规单原子催化剂合成温度一般较低，单原子与载体之间并没有很强的键合作用，因而在使用过程中(高温或高电压)容易发生团聚，导致催化剂失活。高温处理可以促使金属原子与载体以共价键结合，极大的增强了单原子的稳定性。然而大部分金属单原子和载体材料在持续高温下并不稳定，很容易导致原子团聚和载体结构破坏，从而无法最终形成稳定的单原子催化剂。因此，以高温热处理来制备稳定的单原子催化剂仍是一项巨大的挑战。

此外，我们还对目前已授权的单原子催化剂专利及相关文献进行分析。

在CN109908904A中发表了一种过渡金属单原子催化剂及其制备方法，然而其将过渡金属前驱体和炭黑直接混合到有机溶剂中，浸泡一段时间后直接煅烧。金属原子在碳载体上容易团聚或者脱落表面，不能均匀分散和精准调控，从而导致其导电性很差，单原子催化剂的含量低、一致性差。

在CN108339543B中发表了一种具有高载量的单原子催化剂及其制备方法，其采用的合成方法需要将碳载体和金属前驱体超声，再用不同的溶剂体系进行抽滤后再煅烧。整个制备周期较长，容易引入杂质或产生误差，不利于大规模的工业化生产。

在CN109589978A中发表了一种金属单原子催化剂的制备方法，是先将官能团化的碳基材料加入有机溶剂中，同时要加入有机锂试剂，之后再溶于另一种有机溶剂中，最后纯化。此制备方法具有一定的危险性，尤其是在有机溶剂使用方面需尤为小心。并且需要后续的化学提纯，使用大量的酸液，增加环保处置成本。

在《Atomic Fe Dispersed on N-Doped Carbon Hollow Nanospheres for High-Efficiency Electrocatalytic Oxygen Reduction》文献中发表了具有高氧还原活性的单原子催化剂，制备方法是先制备SiO₂模板，对其进行改性，再将金属负载上模板上，最后将模板去除。整个制备周期很长且较麻烦，不具有普适性，不易于工业生产。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种石墨炔负载单原子催化剂的制备方法，用以解决现有金属单原子和载体材料在持续高温下并不稳定，很容易导致原子团聚和载体结构破坏，从而无法最终形成稳定的单原子催化剂的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种石墨炔负载单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将六溴苯和碳化钙按一定比例混合后溶于乙醇中并研磨；