[发明专利]一种碳基锚定非贵金属单原子催化剂、其制备方法及应用

说明书

本发明公开一种碳基锚定非贵金属单原子催化剂、其制备方法及应用，将氮源、表面活性剂和硫源加入去离子水中，加热搅拌以形成均匀悬浊液：所述氮源为三聚氰胺或尿素，所述表面活性剂为P123、F108、F127或聚乙二醇2000，所述硫源为N‑乙酰‑L‑半胱氨酸、L‑半胱氨酸、硫粉、硫代硫酸钠或过硫酸钠；将悬浊液进行干燥；在保护气体下升温到550‑1000℃碳化60min‑360min，自然冷却至室温，即得碳缺陷多孔纳米片。取碳缺陷多孔纳米片与氯化铬加入乙醇中，常温搅拌后离心干燥；将所得产物用稀盐酸溶液腐蚀后离心干燥，即得。本发明所述产物为ORR提供了强大的活性位点。

技术领域

本发明属于无机纳米材料化学及电化学领域，具体涉及一种碳基锚定非贵金属单原子催化剂、其制备方法及应用。

背景技术

现如今，迅速发展的“物联网”对新兴的高科技电子技术，如电动汽车对具有高能量密度，坚固性，灵活性和环境友好性的先进电池的需求不断增长，电化学能量转换与储存材料、器件及装置的研究和开发是很多研究人员的主要研究方向。锌空电池展示出高能量密度、低平衡电势、平稳的放电电压、长使用寿命等优点，成为了极有潜力的电化学储能技术。缓慢的阴极ORR催化过程以及贵金属催化剂的价格昂贵和储量稀少是制约燃料电池和锌空电池等商业应用的主要瓶颈。阴极氧化还原反应主要涉及到许多与能源相关的重要过程，如燃料电池的氧还原反应（ORR），用于制备绿色氢能的析氢反应（HER）以及用于金属-空气电池的析氧反应（OER）等。所以发展高效、稳定、价格低廉的ORR催化剂十分重要，将催化剂的活性物种从颗粒降低到单原子是一个有效的去提高催化剂的性能的方式。

合理设计尺寸、形貌、成分和结构可以获得更高效率的电催化剂。区别于传统的纳米颗粒，单原子催化剂则是把原子利用率发挥到了极致，有着更明显的尺寸、结构效应以及与载体的强相互作用。单原子位催化剂在ORR中的首次使用可以追溯到1964年，在对无贵金属催化剂的需求推动下，钴酞菁作为一种有效的催化剂有了开创性的发现。最近Kim等人（J. N. Tiwari, K. S. Kim., et al, Nat. Energy 2018, 3, 773）提出了单个原子与团簇或纳米颗粒之间的协同效应，显著增强了HER和ORR活性。同时，Yao等人（L. Z. Zhang,X. D. Yao., et al, Chem, 4, 285）报告了一个概念，石墨烯缺陷会在其中捕获原子镍物种，石墨烯中的各种缺陷可以诱导不同的局部aNi的电子态密度（DOS），表明aNi @ defect服务作为独特的电催化反应的活性位点。将催化剂尺寸缩小至原子级提供了一种有效的方法，可最大程度地提高原子效率并增强电催化活性。为了暴露更多的活性位点，通常将这些催化剂缩小为纳米颗粒或团簇，甚至固定在某些基质上的单个原子，以提供一种使原子效率最大化的有效方法。

目前，原子分散催化剂的合成面临两个主要挑战：（1）由于要避免聚集，目标是掺入载体表面的原子金属（aMs）超低浓度（0.5 wt％）和（2）大多数aM合成路线涉及复杂或苛刻的加工条件（例如，金属有机骨架的热解，电弧放电方法和电化学活化），这限制了aM在广泛应用中的使用。

众所周知，碳骨架的电子性质可以通过传统的杂原子掺杂（N，S，B和P等）来调节，以增强ORR活性。通过将杂原子掺杂到碳基质中由于掺杂剂的电负性不同，它们可以使相邻的碳原子极化，从而改善电催化活性。Dai等人（K. Gong, L. Dai., et al, Science2009, 323, 760）率先在ORT上进行NCNT研究后，具有各种缺陷的碳基纳米材料吸引了许多研究人员的兴趣。通过简单的退火方法引入和去除杂原子之后，产生结构缺陷和边缘效应来锚定单原子增强电化学性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种碳基锚定非贵金属单原子催化剂、其制备方法及应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种碳基锚定非贵金属单原子催化剂的制备方法，其包括如下步骤：