[发明专利]一种镁单原子催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种镁单原子催化剂及其制备方法与应用。所述镁单原子催化剂包括空心碳球及均匀分布于空心碳球表面的镁原子，所述空心碳球的直径为300～500nm。本发明提供的镁单原子催化剂在碱性条件下具有优异的ORR电催化活性和稳定性，可作为性能优异的碱性ORR电催化剂，并且具有与20％Pt/C相媲美的优异的ORR电催化剂性能；同时该催化剂在循环使用后仍具有优异的电催化稳定性和结构稳定性。

技术领域

本发明属于新材料制备以及电化学催化领域，涉及一种镁单原子催化剂及其制备方法与应用，尤其涉及一种镁单原子催化剂及其制备方与该镁单原子催化剂在碱性条件下将氧气还原生成水中的应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池技术是一种直接将燃料的化学能转化为电能的技术，具有能源转化效率高、对环境友好等特点，有望取代传统的火力发电。电催化氧还原(oxygenreduction reaction，ORR)是燃料电池中重要的阴极半反应，然而，ORR在动力学上较为缓慢，需要高效的氧还原电催化剂来降低反应能垒，从而加速ORR的进行。

经过几十年的努力，人们发展出大量高效且稳定铂基ORR电催化剂，然而由于金属铂属于贵金属，这就使得其作为ORR电催化剂的使用成本居高不下。由于非贵金属在地壳中的储量丰富，价格低廉，因此开发高效的非贵金属基ORR电催化剂具有重要的大规模应用意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种镁单原子催化剂及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种镁单原子催化剂，其包括空心碳球及均匀分布于空心碳球表面的镁原子，所述空心碳球的直径为300～500nm。

本发明实施例还提供了前述的镁单原子催化剂的制备方法，其包括：

使包含硅源、盐酸多巴胺和溶剂的第一混合反应体系搅拌反应，再经退火处理，制得碳包覆二氧化硅实心球；

将所述碳包覆二氧化硅实心球进行碱洗处理，制得空心碳球；

以及，使包含镁盐、所述空心碳球和水的第二混合反应搅拌反应，之后经低温退火、高温退火处理，制得镁单原子催化剂。

本发明实施例还提供了前述的镁单原子催化剂作为电催化剂在碱性条件下将氧气还原为水中的应用

本发明实施例还提供了一种用于碱性条件下将氧气还原为水的反应中的电催化剂，所述电催化剂包括前述的镁单原子催化剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的镁单原子催化剂在碱性条件下具有优异的ORR电催化活性和稳定性，可作为性能优异的碱性ORR电催化剂，并且具有与20％Pt/C相媲美的优异的ORR电催化剂性能；同时该催化剂在循环使用后仍具有优异的电催化稳定性和结构稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中制得的镁单原子催化剂的粉末XRD图；

图2是本发明实施例1中制备的镁单原子的高分辨透射电镜(TEM)颗粒形貌图；

图3是本发明实施例1中制备的镁单原子的扫描电镜(SEM)图；

图4是本发明实施例1中制得的镁单原子催化剂以及商业20％Pt/C的线性扫描伏安(LSV)曲线图。

具体实施方式