[发明专利]一种基于镍锌层状双金属氢氧化物固相剥离制备的镍单原子催化剂及其制备方法、应用

说明书

本发明公开了一种基于镍锌层状双金属氢氧化物固相剥离制备的镍单原子催化剂及其制备方法、应用，属于单原子催化剂技术领域。一种基于镍锌层状双金属氢氧化物固相剥离制备的镍单原子催化剂，通过水热法首先制备NiZn‑LDH，再通过熔融共混技术将NiZn‑LDH进行固相剥离，得到单层NiZn‑LDH剥离复合材料，最后将单层NiZn‑LDH剥离复合材料与具有碳氢氮三种元素的氮源进行高温无氧煅烧，即制得镍单原子催化剂。本发明所得镍单原子催化剂结构稳定，制备过程容易控制且能够宏量化生产；在相对于可逆氢电极的‑0.9V的偏电压下，实现大于96%的法拉第效率且12h不衰减，是一种比较有前景的二氧化碳还原电催化剂。

技术领域

在本发明属于单原子催化剂技术领域，特别是涉及一种基于镍锌层状双金属氢氧化物固相剥离制备的镍单原子催化剂及其制备方法、应用。

背景技术

在单原子催化剂是近年来催化领域的研究热点，它结合了多相催化剂和均相催化剂的优点，并以其独特的特性弥补了两者之间的差距。与均相催化剂相比，单原子催化剂最大限度地提高了原子利用率，具有可调谐的电子环境的催化活性位点，具有高催化活性或/和选择性，同时与均相催化剂相比，单原子催化剂具有更好的稳定性。在过去的几年，无论在制备过程中还是在应用过程中，活性原子都有强烈的迁移和聚集趋势，因此单原子催化剂的可控制备仍然具有挑战性。为此，在合适的载体上支撑单分散原子是制备单原子最可行、最有效的方法。在单原子催化剂中，固定在氮掺杂碳载体的原子金属（记为 CN-M）引起了人们的特别关注，特别是在电催化领域。由于氮不仅可以有效地固定和稳定单金属原子在碳基底上，而且可以调节金属和碳原子的电子结构，优化中间体的吸附/解吸，提高催化性能。此外，碳载体很容易用于商业用途，并具有高度的导电性，可加速反应过程中的电子转移。当前制备CN-M催化剂的方法是通过前驱体吸附阳离子在进行煅烧，例如石墨烯，MOF等前驱体吸附金属阳离子在惰性气氛下进行煅烧从而得到金属单原子锚定于碳基底。此方法操作过程复杂，耗时长且具有一定的随机性，不易于工业制备单原子催化剂。这些问题亟待解决。本发明提供一种基于镍锌层状双金属氢氧化物（NiZn-LDH）固相剥离制备的镍单原子催化剂及其制备方法、应用，可高效、弘量化生产镍单原子催化剂。

发明内容

基于上述存在的问题，本发明的第一个目的是：提供一种基于镍锌层状双金属氢氧化物固相剥离制备的镍单原子催化剂，该催化剂通过水热法首先制备NiZn-LDH，再通过熔融共混方式将NiZn-LDH化合物进行固相剥离，得到单层NiZn-LDH剥离复合材料，最后将单层NiZn-LDH剥离复合材料与具有碳氢氮三种元素的氮源进行高温无氧煅烧，即制得镍单原子催化剂。这种镍单原子催化剂形貌为二维片层结构，无金属纳米颗粒，金属以单个原子状态分散于碳基底，该镍单原子催化剂具有良好的稳定性。

本发明的另一个目的是：提供一种基于镍锌层状双金属氢氧化物固相剥离制备的镍单原子催化剂的制备方法，首先通过采用水热合成法合成NiZn-LDH，利用固相剥离剂将NiZn-LDH剥离成单片层LDH（层状双氢氧化物），形成单层NiZn-LDH剥离复合材料，该单层NiZn-LDH剥离复合材料与三聚氰胺进行混合，并在惰性气氛下进行高温无氧煅烧，由于锌在高温下易挥发，从而能够有效避免其煅烧后形成纳米颗粒，使金属镍以原子的形式锚定于碳基底，制得镍单原子催化剂。这样可以解决镍单原子催化剂制备流程复杂、不易宏量化的问题。

本发明的另一个目的是：提供一种基于镍锌层状双金属氢氧化物固相剥离制备的镍单原子催化剂的应用，该镍单原子催化剂可以作为还原剂，用于二氧化碳的还原，该镍单原子催化剂在相对于可逆氢电极 -0.9 V下能够稳定12h，是一种比较有前景的二氧化碳还原电催化剂。

为了解决本发明所述的技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种基于镍锌层状双金属氢氧化物固相剥离制备的镍单原子催化剂，其获得方式为：通过水热法首先制备NiZn-LDH，再通过熔融共混方式将NiZn-LDH进行固相剥离，得到单层NiZn-LDH剥离复合材料，最后将单层NiZn-LDH剥离复合材料与具有碳氢氮三种元素的氮源进行高温无氧煅烧，即制得镍单原子催化剂。