[发明专利]负载金属单原子的复合材料及其制备方法和应用

说明书

本申请属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种负载金属单原子的复合材料及其制备方法，以及一种负载金属单原子的复合材料的应用。其中，负载金属单原子的复合材料的制备方法，制备聚合物、金属盐、有机氮源和有机溶剂的混合前驱体浆料；对所述混合前驱体浆料进行静电纺丝，得到混合前驱体原丝；对所述混合前驱体原丝进行预氧化处理后，进行碳化处理，得到碳化产物；对所述碳化产物进行酸氧化处理，分离得到负载金属单原子的复合材料。本申请负载金属单原子的复合材料的制备方法，工艺简单，条件温和且安全，适用于工业化大规模生产和应用。制备的复合材料中金属单原子均匀且稳定的负载在碳纳米纤维中，使得复合材料催化效果好且稳定。

技术领域

本申请属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种负载金属单原子的复合材料及其制备方法，以及一种负载金属单原子的复合材料的应用。

背景技术

“电解水制氢-燃料电池发电”模式被认为是清洁高效利用可再生能源的重要环节。电解水制氢和燃料电池都涉及氧气的电化学反应，分别是氧气的析出反应(Oxygenevolution reaction，OER)和氧气的还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)。对于OER而言，由于其动力学缓慢、反应机理复杂，只能采用贵金属催化剂，如IrO₂和RuO₂。该类贵金属催化剂由于储量少，导致电解水设备成本高昂。近些年来，钙钛矿、烧绿石等过渡金属氧化物、氮化物以及碳化物也应用于酸性电解水中，然而催化性能以及稳定性需要进一步提高。对于ORR反应而言，其动力学缓慢、反应机理尚未明确，只能采用Pt/C或者PtxM/C合金催化剂。同样由于其贵金属铂的储量少，铂容易在工作环境中发生毒化，限制燃料电池大规模的产业化。因此，设计合理的OER和ORR催化剂，对于提高电解水和燃料电池设备的性能，显著降低其成本，具有重要的应用价值。

近些年来，单原子催化剂的制备以及应用得到了广泛关注。其基本思路是将纳米尺寸的催化剂颗粒进一步分散成单个原子，从而最大程度的提高贵金属原子的利用率，提高催化活性的同时降低贵金属的用量。同时，单原子催化剂相比于传统纳米催化剂具有较高的反应选择性，可提高OER和ORR的效率。常见的单原子催化剂制备方法有：共沉淀法、浸渍法、置换反应法、原子层沉积法以及软着陆法等。但这些方法都存在实验条件苛刻，成本较高，稳定性差以及负载量低等问题，且制出的催化剂更不能形成自支撑电极。

发明内容

本申请的目的在于提供一种负载金属单原子的复合材料及其制备方法，以及其用于燃料电池和电解水制氢的方法，旨在一定程度上解决现有单原子催化剂的制备方法条件严苛、成本高，制备的催化剂稳定性差，负载量低的问题。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种负载金属单原子的复合材料的制备方法，

制备聚合物、金属盐、有机氮源和有机溶剂的混合前驱体浆料；

对所述混合前驱体浆料进行静电纺丝，得到混合前驱体原丝；

对所述混合前驱体原丝进行预氧化处理后，进行碳化处理，得到碳化产物；

对所述碳化产物进行酸氧化处理，分离得到负载金属单原子的复合材料。

第二方面，本申请提供一种负载金属单原子的复合材料，所述负载金属单原子的复合材料包括碳纳米纤维和掺杂在碳纳米纤维上的氮元素以及负载在所述碳纳米纤维上的金属单原子。

第三方面，本申请提供一种负载金属单原子的复合材料的应用，将上述方法制备的负载金属单原子的复合材料，或者上述的负载金属单原子的复合材料，应用于燃料电池或者电解水制氢。

本申请第一方面提供的负载金属单原子的复合材料的制备方法，工艺简单，条件温和且安全，适用于工业化大规模生产和应用。制备的复合材料中金属单原子均匀且稳定负载在碳纳米纤维中，使得负载金属单原子的复合材料催化效果好且稳定。