[发明专利]一种单原子铁分散/银纳米颗粒复合结构催化剂的制备方法

说明书

一种单原子铁分散/银纳米颗粒复合结构催化剂的制备方法，应用于氧还原反应，属于电催化技术领域。该方法流程简单，操作方便，首先利用溶剂热法合成掺杂少量铁的ZIF‑8前驱体，经过高温热解使锌气化后形成单原子铁分散的氮掺杂多孔碳骨架(无需酸洗)，并在此基础上负载银纳米颗粒，制备出一种单原子铁分散/银纳米颗粒复合结构的电催化剂材料。通过同步辐射和球差校正电镜分析可得，单原子铁与周围的氮原子配位，并且与周围的银纳米颗粒发生协同作用，进一步提高催化活性，使其在酸性和碱性条件下具备良好的氧还原性能。

技术领域

本发明是关于一种合成单原子铁分散/银纳米颗粒复合结构催化剂的制备方法，并且应用于氧还原反应，属于电催化技术领域。

背景技术

随着化石燃料的大规模使用，在推动社会发展的同时，也产生了大量的废气、废水等污染物，带来了前所未有的环境危机。发展新型的清洁能源已经成为目前社会的共识，而燃料电池作为一种新型能源日益受到人们的关注，并在某些方面已经获得了应用。

燃料电池是一种不需经过直接燃烧，将燃料中的化学能直接通过电化学过程转化为电能的高效能量转化体系，具有发电效率高、噪音低、无污染、真正实现零排放等优点。目前，燃料电池在一些领域已经初步实现商业化，开始发挥重要的作用。燃料电池主要是有阴阳两极发生的反应进行作用，相较于阳极发生的氢氧化(hydrogen oxidation reaction，HOR)反应，阴极上发生的氧还原(oxygen reduction reaction，ORR)反应由于其缓慢的动力学过程导致更高的过电势，严重阻碍了燃料电池的总体效率的提高。开发高效且稳定的氧还原催化剂去降低氧还原反应能垒，加快反应速率，提高能量转化效率具有重要意义。

当下，氧还原反应的主流反应机理模型认为该过程存在两种路径：一种是4电子直接生成水；一种是2电子生成过氧化氢，再生成水的路径。但是2电子过程中中间产物H₂O₂的产生会导致催化剂发生降解和腐蚀电极材料的问题，因此理想的氧还原反应路径应该是按4电子过程尽心反应。目前常用于氧还原反应的是Pt/C催化剂，催化性能最好，但是由于其Pt类贵金属昂贵的价格和较高的负载量限制了Pt/C的大规模商业化应用，此外Pt基催化剂还存在抗甲醇性差、容易发生聚集和严重浸出等问题。因此，迫切需要发低成本，高活性的金属催化剂。

目前对氧还原反应催化剂的研究主要集中于两个方面，一是降低Pt类贵金属的用量，采用形成Pt基合金等方法，降低催化剂成本；二是发展新型的非贵金属催化剂，主要是Fe、Co等过渡金属，其中氮元素掺杂过渡金属的单原子催化剂(M-N-C结构)成为最有希望应用的非贵金属催化剂。单原子形式使金属活性中心达到了最大的原子利用率，负载量较低。但是其实际的催化性能距离贵金属催化剂往往有一定的差异。本发明提出一种在单原子分散的基础上，引入另一种金属颗粒的新型催化剂，通过单原子与颗粒之间的协同作用，进一步提高催化性能，其在酸性和碱性条件下表现优异。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对燃料电池氧还原催化剂的发展现状提出一种单原子铁分散/银纳米颗粒复合结构的电催化剂的制备方法，其在酸性和碱性条件下表现出较好的氧还原催化性能。

本发明为解决上述技术问题所提供的技术方案为：

一种单原子铁分散/银纳米颗粒复合结构催化剂，其特征在于，为氮掺杂的铁银碳复合多孔材料，银为纳米颗粒状，铁以单原子分散态均匀分布在氮掺杂多孔碳材料中。

一种单原子铁分散/银纳米颗粒复合结构催化剂的制备方法，采用MOFs衍生的方法得到具有协同作用的单原子铁分散/银纳米颗粒复合结构催化剂，包括以下步骤：

(1)首先利用溶剂热法在合成ZIF-8时原位掺杂乙酰丙酮铁，得到掺杂少量乙酰丙酮铁的ZIF-8前驱体，经过高温热解使锌气化后形成单原子铁分散的氮掺杂多孔碳骨架Fe-N/C黑色粉末；