一种WCx-FeCo析氧单原子催化剂材料的制备方法与应用

本发明属于电催化材料制备，具体涉及一种wcx-feco析氧单原子催化剂材料的制备方法与应用。

背景技术：

1、随着不可再生化石燃料的快速消耗和相关的环境问题，寻找绿色能源技术尤为重要。电解水是一种高效的可持续氢生成途径，被认为是未来可再生能源生产、储存和使用的有效办法。析氧反应(oer)作为电解水分解系统的主要步骤之一，是一个四电子-质子耦合反应，需要更高的能量。因此，提高水分解制氧的关键在于设计和合成高效的oer催化剂。过去十年中，作为贵金属替代品的新型oer催化剂的探索取得了巨大的进展。

2、在oer的电催化中，第一过渡态的金属元素fe、co是很好的催化剂，而这两种元素的组合能够提升催化剂的性能。现有技术中，常见单原子催化剂大多数为单金属元素，也有部分feco、feni等双金属元素催化剂，这些双金属元素催化剂通常以有金属氧化物、石墨烯、金属有机骨架(mofs)等作为载体，存在制备工艺繁琐、在强酸强碱及高压环境下易失活等缺点。

3、基于此，本发明创新性地选择使用过渡金属碳化物作为载体材料。过渡金属碳化物是一类重要的无机材料，具有很好的热稳定性(机械稳定性与化学稳定性)，有的化合物还具有类似于金属的导电性及磁性。本发明所使用的碳化钨具有作为电催化剂必需同时拥有的两种功能：①能导电和比较自由地传递电子；②能对底物进行有效的催化活化作用。这些优点也使碳化钨成为电催化剂的理想载体材料。

4、目前，单原子催化剂的制备方法中，常见的有原子层沉积(ald)技术，但存在设备成本高昂的问题；还有电化学沉积法，但存在反应过程参数难以控制等因素。这些极大地限制了单原子催化剂的应用范围。因此，如何在不借助先进仪器设备的条件下，制备出价格低廉、催化效果优秀的析氧反应单原子催化剂是一个很有挑战的课题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供及一种wcx-feco析氧单原子催化剂材料的制备方法，该方法工艺过程简单、操作难度小、生产成本低，制备的单原子催化剂材料具有优异的电催化析氧活性和稳定性。

2、技术方案

3、一种wcx-feco析氧单原子催化剂材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将盐酸多巴胺溶解在水中，得到多巴胺水溶液，调ph值至2后，向多巴胺水溶液中加入六水合氯化铁和六水合二氯化镍，搅拌均匀后，再滴加钨酸钠溶液，搅拌反应后，得到反应产物；

5、(2)将步骤(1)的反应产物离心，收集固体产物，洗涤后干燥，得到da-w-feco前驱体；

6、(3)将da-w-feco前驱体置于氮气气氛管式炉中，升温至800℃，炭化1-4h，得到wcx-feco析氧单原子催化剂材料。

7、进一步，步骤(1)中，盐酸多巴胺与钨酸钠的摩尔比为1:1。

8、进一步，步骤(1)中，所述六水合氯化铁和六水合二氯化镍的摩尔比为1:1。

9、进一步，步骤(1)中，所述盐酸多巴胺与六水合氯化铁的摩尔比为20：1。

10、进一步，步骤(2)中，所述洗涤采用的是去离子水和甲醇，各洗涤三次。

11、进一步，步骤(2)中，所述干燥温度为60℃，时间为10-14h。

12、进一步，步骤(3)中，所述升温速率为2℃/min。

13、采用上述方法制备的wcx-feco析氧单原子催化剂材料在电解水析氧反应中的应用。具体的：将上述得到的催化剂材料作为工作电极组装成三电极测试体系，对电极为石磨棒电极，参比电极为hg/hgo。

14、本发明成功地通过简单的热解法制备了wcx-feco，非常方便、廉价、省时。wcx-feco的形成暴露了更多的oer活性位点，提高电子电导率。

15、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

16、1)本发明采用热解法在碳化钨基底上负载上fe、co单原子，成功得到析氧单原子催化剂，该方法工艺过程简单、操作难度小、生产成本低。因为铁和钴之间的磁耦合可以导致量子自旋交换相互作用，建立了沿晶格的电子传输通道，可进一步促进催化剂内部的电荷传输。此外，新形成的fe-o-co键可以为oer提供电子通道。

17、2)本发明制备的电催化材料具有优异的电催化析氧活性和稳定性，通过探究催化剂材料在1mol/l koh电解液中的电催化析氧反应活性，结果显示，wcx-feco达到10ma/cm2的电流密度仅需要1.55v的电压，塔菲尔斜率低至133mv dec-1，表明该催化剂有良好的反应动力学。

技术特征：

1.一种wcx-feco析氧单原子催化剂材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述wcx-feco析氧单原子催化剂材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，盐酸多巴胺与钨酸钠的摩尔比为1:1。

3.如权利要求1所述wcx-feco析氧单原子催化剂材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述六水合氯化铁和六水合二氯化镍的摩尔比为1:1。

4.如权利要求1所述wcx-feco析氧单原子催化剂材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，盐酸多巴胺与六水合氯化铁的摩尔比为20：1。

5.如权利要求1所述wcx-feco析氧单原子催化剂材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述洗涤采用的是去离子水和甲醇，各洗涤三次。

6.如权利要求1所述wcx-feco析氧单原子催化剂材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述干燥温度为60℃，时间为10-14h。

7.如权利要求1至6任一项所述wcx-feco析氧单原子催化剂材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述升温速率为2℃/min。

8.采用权利要求1至6任一项所述方法制备的wcx-feco析氧单原子催化剂材料。

9.权利要求1至6任一项所述方法制备的wcx-feco析氧单原子催化剂材料在电解水析氧反应中的应用。

技术总结本发明公开了一种WC<subgt;x</subgt;‑FeCo析氧单原子催化剂材料的制备方法，将盐酸多巴胺溶解在水中，得到多巴胺水溶液，调pH值至2后，加入六水合氯化铁和六水合二氯化镍，搅拌均匀后，再滴加钨酸钠溶液，搅拌反应后，将反应产物离心，收集固体产物，洗涤后干燥，得到DA‑W‑FeCo前驱体，将其置于氮气气氛管式炉中，升温至800℃炭化。与现有技术相比，本发明制得的催化剂具备优异的电催化析氧性能，且原料价格低廉，易于制得，在电解水行业具有广阔的应用前景。技术研发人员：唐月锋,李卓京受保护的技术使用者：南京大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17