[发明专利]一种负载Mn单原子的N掺杂碳多面体催化剂的制备方法

说明书

一种负载Mn单原子的N掺杂碳多面体催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）先将锰盐和硝酸锌搅拌溶解于溶剂中，得溶液A，将含N有机配体搅拌溶解于溶剂中，得溶液B，再将溶液A和溶液B搅拌混合后，静置老化，离心，过滤洗涤，冷冻干燥；（2）在惰性气氛保护下，进行一次热处理；（3）分散于锰盐溶液中，搅拌，冷冻干燥；（4）在惰性气氛保护下，进行二次热处理，得负载Mn单原子的N掺杂碳多面体催化剂。本发明方法所得催化剂分散良好且金属Mn呈原子级分散，Mn、N、C元素分布均匀，电催化氧还原性能好，倍率性能优于商业Pt/C催化剂，合成工艺简单、高效、成本低、通用性强、适宜于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种催化剂的制备方法，具体涉及一种负载Mn单原子的N掺杂碳多面体催化剂的制备方法。

背景技术

单原子催化剂（SACs）是近年来催化科学的一个前沿，将活性物种从颗粒降低到单原子是一个有效提高催化性能的策略，一方面，能够实现最大化的原子利用率和活性位点的充分暴露，提高活性位点的数量；另一方面，能够利用单原子和载体之间增强的相互作用和电荷转移等效应提高活性位点的本征活性。但是，由于具有高比表面能，单金属原子容易在较高温度下迁移和聚集成纳米颗粒。因此，可控的合成高稳定、高活性的SACs仍是一个较大的挑战。目前，合成SACs的策略主要包括：缺陷工程、空间限域、牺牲模板法、冰浴法和原子捕获法等。

电催化氧还原反应（ORR）在金属-空气电池和其它可再生能源技术中扮演着非常重要的角色。由于该反应涉及到多步电子传递路径，表现出动力学缓慢的问题。目前，铂（Pt）催化剂以及Pt基合金催化剂被应用于催化ORR中。然而，贵金属高成本和稀缺性阻碍了其在ORR中的广泛应用。因此，开发非贵金属的ORR催化剂显得尤为重要。SACs的催化性能与其催化活性中心的构型和配位环境高度相关。

如CN 113363514 A、CN 113351236 A、CN 113373474 A、CN 111659443 A、CN112661137A和CN 111682224 A公开了以Fe和Co为典型代表的非贵金属单原子催化剂，在不同的电催化反应中表现出优异的活性。但是，上述方法存在如下技术缺陷：（1）碳载SACs在制备过程中，碳载体容易团聚，造成孔的堵塞，降低了传质效率；（2）直接合成的金属单原子负载量较低。

因此，亟待找到一种所得催化剂分散良好且金属Mn呈原子级分散，Mn、N、C元素分布均匀，电催化氧还原性能好，倍率性能优于商业Pt/C催化剂，合成工艺简单、高效、成本低、通用性强、适宜于工业化生产的负载Mn单原子的N掺杂碳多面体催化剂的制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种所得催化剂分散良好且金属Mn呈原子级分散，Mn、N、C元素分布均匀，电催化氧还原性能好，倍率性能优于商业Pt/C催化剂，合成工艺简单、高效、成本低、通用性强、适宜于工业化生产的负载Mn单原子的N掺杂碳多面体催化剂的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种负载Mn单原子的N掺杂碳多面体催化剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）先将锰盐和硝酸锌搅拌溶解于溶剂中，得溶液A，将含N有机配体搅拌溶解于溶剂中，得溶液B，再将溶液A和溶液B搅拌混合后，静置老化，离心，过滤洗涤，白色沉淀物进行冷冻干燥，得前驱体粉末；

（2）将步骤（1）所得前驱体粉末在惰性气氛保护下，进行一次热处理，得黑色粉末；

（3）将步骤（2）所得黑色粉末分散于锰盐溶液中，搅拌，冷冻干燥，得样品粉末；所述黑色粉末与锰盐溶液的质量体积比（g/mL）为1:5～100；所述锰盐溶液的摩尔浓度为0.05～0.50mol/L（更优选0.1～0.3mol/L）；

（4）将步骤（3）所得样品粉末在惰性气氛保护下，进行二次热处理，得负载Mn单原子的N掺杂碳多面体催化剂。