[发明专利]一种单原子钴基氮硫双掺杂碳材料催化剂的制备方法

摘要

本发明从改变金属配体的角度出发，通过精确调控碳化、金属高温还原过程，合成金属单原子氮硫双掺杂碳材料。本发明通过加入含S配体以阻止热解过程中金属碳化物的生成，控制热解的温度和时间避免碳层的沉积，并将金属原子锚定在石墨烯的碳骨架里，后期酸处理极易除去表面裸露的金属氮化物及金属硫化物等颗粒，实现金属在石墨烯结构里的单原子级分散，同时暴露了更多的活性位点。本发明巧妙地利用S在热解过程的调节作用合成金属单原子催化剂，实现金属100％原子利用率，提高催化剂的分散性、稳定性以及本征活性。此外，氮硫共掺杂协同催化，进一步提高催化剂活性。本发明制备的单原子催化剂表现出优异的析氢/氧还原催化活性，操作简单，易于工业化生产，可广泛应用于以质子交换膜为电解质的燃料电池。

主权项

1.一种单原子钴基氮硫双掺杂碳材料催化剂的制备方法，其具体方法步骤包括其特征在于：(1)催化剂前驱体的制备按氮源︰碳源的质量比60︰1～100：1，氮源碳源总质量：金属钴盐的质量比为10︰1～360︰1，金属钴盐中二价钴离子：硫源中含硫阴离子价态N的摩尔比为N︰2，称取氮源、碳源、金属钴盐、硫源；将上述混合物溶于30～50mL无水乙醇中，超声搅拌5～10分钟后，置于40℃～60℃鼓风干燥箱内，干燥4～6h，直至乙醇完全挥发，混合物重结晶于烧杯里。再将上述重结晶的固体取出，置于球磨机中，转速为600rpm～800rpm，圈数为2，获得氮碳前驱体、金属钴盐和硫源混合均匀的催化剂前驱体。(2)单原子钴基氮硫双掺杂碳材料催化剂的制备首先将上述制得的前驱体置于管式炉中，在氮气气氛下，以5～10℃/分钟升温至750～1000℃，保持0～3小时后，在氮气气氛下冷却至室温，获得催化剂固体粉末；然后将上述催化剂固体粉末分散在0.1～2.0mol/L的质子酸溶液中，60～80℃搅拌8～24小时；最后离子水洗涤3次，40～60℃真空干燥24小时，获得单原子钴基氮硫双掺杂碳材料催化剂。所述的氮源为尿素、三聚氰胺、硫脲、双氰胺、四甲基乙二胺等的其中之一；所述的碳源为葡萄糖、淀粉、核糖、蔗糖等的其中之一；所述的金属钴盐为六水合硝酸钴、四水合醋酸钴、六水氯化钴、草酸钴等的其中之一，所述的硫源为硫氰化钠、硫氰化钾、硫化铵、硫代硫酸钠、硫代乙酰胺等的其中之一。所述的质子酸溶液为盐酸溶液、硫酸溶液和硝酸溶液的其中之一。