[发明专利]一种氮/硫共掺杂碳支撑铁单原子的催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及纳米材料技术领域，公开了一种氮/硫共掺杂碳支撑铁单原子的催化剂及其制备方法和应用，其制备方法包括步骤：采用铁盐、反丁烯二酸和1,2‑苯并异噻唑‑3‑酮水热反应得到初产物，初产物经过滤、干燥处理后，再煅烧、酸洗、干燥得到所述氮/硫共掺杂碳支撑铁单原子的催化剂，所述催化剂中铁以单原子的形式锚定在氮/硫共掺杂的空心棒状纳米碳结构中，氮与硫的原子比为1.8～2.2:1；应用于电催化氧气还原为过氧化氢反应中H₂O₂选择性在92％以上，呈现出优异的电化学性能和稳定性。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种氮/硫共掺杂碳支撑铁单原子的催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)作为一种环境友好型氧化剂、化学漂白试剂，因其具有强氧化性、高效、绿色和使用无二次污染的优良特性，而被广泛应用于化工、造纸、纺织、食品、医药、军事、环保等领域。蒽醌法生产H₂O₂是目前世界上该行业最为成熟的生产方法之一，但蒽醌法中催化剂易结块、粉碎和中毒；生产过程中所产生的H₂O₂与有机溶剂共同存在，分离难度大，且部分有机溶剂具有毒性，因而具有一定的危险性，限制了其广泛商业化应用。而电化学阴极还原氧气制备H₂O₂法因其具有反应效率高、操作安全与可实现的高电流密度等优点，且所合成的H₂O₂具有无杂质、纯度高等特点，被认为是最具发展前景的制备H₂O₂的技术之一。

电化学阴极还原法的关键是开发高效和经济可行的高选择性和活性的电催化剂。贵金属及其合金是目前效率最高的电催化剂，但是贵金属的稀缺性阻碍其大规模应用。最近研究表明，单原子催化剂有分散在载体上的孤立金属原子位点，通常因具有最大的原子利用率、优异的催化性能和明确的活性中心结构引起了广泛关注。迄今为止，原子级分散的Fe-N-C催化剂已被多次报道用于电化学氧气还原、二氧化碳还原，并且性能良好、稳定性好，可用于电化学还原领域。如公开号为CN111727170A的中国专利文献公开了一种Fe-N-C催化剂，该方法通过热解Fe(II)掺杂的Zn-沸石咪唑骨架(ZIF)，制备N掺杂碳基质上含铁单原子的催化材料；具体方法如下：(i)二甲基咪唑溶于甲醇得到溶液A；(ii)将Fe(II)前驱体，例如FeCl₂·4H₂O和Zn盐，例如Zn(NO₃)₂溶解于甲醇得到溶液B；(iii)将溶液B加入溶液A中，充分反应后收集沉淀物；(iv)将固体沉淀物放置于管式炉中在100mL min^-1的N₂流速下900℃热解3h，升温速率为5℃min^-1得到Fe-N-C催化剂。

如公开号为CN111468163A的中国专利文献公开了一种二维铁单原子催化剂及其制备方法和在1,2-二氯乙烷还原生产乙烯中的应用，通过FeCl₃·6H₂O与多巴胺的儿茶酚羟基的络合作用，可以影响多巴胺的聚合反应。在随后碳化过程中，这种层状结构被保留，并控制最终的样品形貌，当Fe盐模板被去除后，生成具有几个纳米厚度的二维碳纳米片。同时，在碳化过程中，碳层分子发生重排，Fe元素以单原子的形式镶嵌到N掺杂碳骨架结构中，最终形成了二维铁单原子催化剂。

尽管取得了进展，但是单原子作为电催化剂用于电化学还原O₂制备H₂O₂，仍然面临选择性低，稳定性差等问题。因此，通过制备一种氮/硫共掺杂碳支撑的铁单原子催化剂，实现电化学还原O₂制备H₂O₂，同时氮/硫共掺能够进一步调控单原子铁的电子结构，从而进一步提升电化学还原活性和稳定性，对实现大规模制备高浓度H₂O₂是极具意义的。

发明内容