[发明专利]用于二氧化碳电化学还原的单原子催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及催化剂技术领域，尤其涉及用于二氧化碳电化学还原的单原子催化剂及其制备方法。所述单原子催化剂的制备方法包括：将2‑甲基咪唑、硝酸锌和镍盐混合，而后进行煅烧。本发明制得的单原子催化剂可以高效的将二氧化碳电催化转化为一氧化碳；并且，该单原子催化剂稳定性好，选择性和法拉第效率高；此外，该单原子催化剂的原料成本低廉，制备方法简单，可操作性强，具有很好的重复性，有利于大规模工业化生产。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，尤其涉及用于二氧化碳电化学还原的单原子催化剂及其制备方法。

背景技术

二氧化碳电化学还原可以利用风能、水能、太阳能以及火电厂的过剩电能等碎片化能源将二氧化碳废气转化为一氧化碳、甲醇、乙烯、乙醇等化工原料，实现变废为宝。相比于乙烯等多碳产物，一氧化碳虽然附加值不高，但是其减碳能力为每千瓦时616g二氧化碳，居所有还原产物之首。所以，将二氧化碳转化为一氧化碳将最大程度的实现碳中和目标。

目前，选择性和稳定性较好的二氧化碳电化学还原催化剂多为贵金属催化剂，如金、银、钯等，其制备成本高昂，不适用于工业化应用。近年来，3d过渡金属单原子催化剂，由于其特殊的配位环境对电子态的调控，使其具有和贵金属催化剂相媲美的性能。因此，如何在分子水平上调制金属中心的配位结构是亟需解决的技术问题。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单原子催化剂的制备方法，由该方法制得的单原子催化剂，在催化二氧化碳电化学还原过程中表现出了十分优异的活性和选择性；本发明的另一目的在于，提供利用该方法制得的单原子催化剂及其应用。

具体地，本发明提供以下技术方案：

本发明提供一种单原子催化剂的制备方法，包括：将2-甲基咪唑、硝酸锌和镍盐混合，而后进行煅烧。

本发明发现，采用上述方式，可制得具有优异的催化活性和选择性的单原子催化剂；

具体而言，2-甲基咪唑与硝酸锌混合形成以Zn原子为节点的沸石咪唑酯骨架结构ZIF-8，引入镍盐，Ni原子替代Zn位点，并通过高温煅烧使Zn原子蒸发，形成基于ZIF-8骨架结构的单原子催化剂；该单原子催化剂在相同或相似条件下，催化性能超过已有报道的同类金属单原子催化剂。

为了进一步提高单原子催化剂的催化性能，本发明对其制备方法进行了优化，具体如下：

作为优选，所述煅烧为：以5±0.5℃/min的升温速率，从25℃升温至1000±50℃，保持3.5-4.5h；

本发明还发现，采用上述煅烧方式，有利于Ni原子单分散于氮掺杂的碳材料上，进而提高单原子催化剂的催化性能。

作为优选，所述煅烧在氮气气氛或氩气气氛下进行。

作为优选，所述镍盐为硝酸镍；所述硝酸锌和所述镍盐的摩尔比为1：(3-5)；

作为优选，所述硝酸锌和所述镍盐的总量与所述2-甲基咪唑的摩尔比为1：(7-9)；

本发明中，控制2-甲基咪唑、硝酸锌和镍盐的配比在上述范围内，有利于提高产品性能。

作为优选，所述混合在溶剂中进行，所述溶剂为甲醇；所述溶剂的用量为使其中的金属盐浓度在35-45mg/mL之间。

作为优选，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将硝酸锌和镍盐溶解于甲醇中，得预混液；

(2)将2-甲基咪唑和所述预混液混合，并在900-1100r/min下搅拌11-13h，离心取沉淀，干燥后进行煅烧。

作为优选，步骤(2)中，所述沉淀在进行干燥前，用甲醇洗涤2-4次。