一种配体辅助热解制备单原子催化剂的方法及其应用

本发明属于碳材料和电催化领域，具体涉及一种配体辅助热解制备单原子催化剂的方法及其应用。

背景技术：

1、当前温室气体co2的大量排放造成全球变暖、海洋酸化、生态系统破坏等环境问题，co2的转化与利用受到广泛关注。以可再生能源为驱动的电化学co2还原，因其绿色环保、运行条件温和、节能等优点，成为co2转化利用的重要方式，是实现碳中和的有效手段之。

2、单原子催化剂(sacs)作为一种新型催化剂，其催化活性位点为分散在基底上的孤立金属原子。由于单一且均匀的活性位点、孤立原子中心、最大化的原子利用率以及不饱和的配位环境等，sacs在电催化领域受到广泛关注。因此，设计具有原子分散度高，方法简便的单原子催化剂合成方法来合成单原子电催化剂，应用于co2还原具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种配体辅助热解制备单原子催化剂的方法及其在二氧化碳还原电催化中的应用。

2、所述的单原子催化剂为al、ni或fe单原子掺杂氮碳材料，具有三维多孔菱形十二面体结构，al、ni或fe以单原子的形式均匀分布于材料的表面。

3、所述的单原子催化剂的制备方法为：以三维zif-8为前驱体，在氮气或惰性气氛下热解得到氮碳材料；然后分散到溶剂中，随后加入al、ni或fe配合物溶液搅拌反应，通过掺杂氮碳的静电作用将al、ni或fe配合物吸附到氮碳骨架上；反应完成后离心、干燥，沉淀在氮气或惰性气氛下热解得到al、ni或fe单原子掺杂氮碳材料；所述al、ni或fe配合物的添加量是氮碳材料质量的0.5-5％。

4、所述的三维zif-8的合成方法为：将锌盐溶液和2-甲基咪唑配体溶液混合后移入反应釜中进行溶剂热反应，反应完成后降至室温，离心得到三维zif-8前驱体。

5、所述的锌盐溶液和2-甲基咪唑配体溶液采用的溶剂选自甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或几种。

6、所述的锌盐选自硝酸锌、硫酸锌、氯化锌、乙酸锌中的一种或几种。

7、所述的溶剂热反应的温度为90-150℃，时间为2-6h。

8、所述的al、ni或fe配合物溶液的制备方法为：将铝盐、镍盐或铁盐溶液和配体溶液混合，搅拌反应得到al、ni或fe配合物溶液。

9、所述的铝盐、镍盐或铁盐为硝酸盐、硫酸盐、氯盐或乙酸盐。

10、所述的配体选自2,2-联吡啶、1,10-邻菲罗啉中的一种或两种。

11、所述的铝盐、镍盐或铁盐和配体的摩尔比为1:1-3。

12、所述的铝盐、镍盐或铁盐溶液和配体溶液采用的溶剂选自甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或几种。

13、所述的溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或几种。

14、所述的搅拌反应的时间为2-6小时。

15、所述热解的温度为700-1100℃，时间为40-400分钟，升温速率为2-10℃min-1。

16、所述的氮气或者惰性气体的流量为10-100ml min-1。

17、上述制备得到的单原子催化剂在二氧化碳还原电催化中作为阴极催化剂的应用。

18、本发明以三维具有丰富的孔道结构的zif-8为框架，在氮气或惰性气氛下进行热解，形成氮碳材料；然后通过掺杂氮碳的静电作用将al、ni或fe配合物吸附到氮碳骨架上，最后在氮气或惰性气氛下进行热解，形成al、ni或fe单原子掺杂氮碳材料。将该材料在中性条件下进行电化学二氧化碳还原测试，其在宽电势范围内均表现出较高的二氧化碳还原电催化性能，且具有良好的稳定性，显示出很高的应用价值。

技术特征：

1.一种单原子催化剂，其特征在于，所述单原子催化剂为al、ni或fe单原子掺杂氮碳材料，具有三维多孔菱形十二面体结构，al、ni或fe以单原子的形式均匀分布于材料的表面。

2.一种单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述的制备方法的具体操作为：以三维zif-8为前驱体，在氮气或惰性气氛下热解得到氮碳材料；然后分散到溶剂中，随后加入al、ni或fe配合物溶液搅拌反应，通过掺杂氮碳的静电作用将al、ni或fe配合物吸附到氮碳骨架上；反应完成后离心、干燥，沉淀在氮气或惰性气氛下热解得到al、ni或fe单原子掺杂氮碳材料；所述al、ni或fe配合物的添加量是氮碳材料质量的0.5-5％。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的三维zif-8的合成方法为：将锌盐溶液和2-甲基咪唑配体溶液混合后移入反应釜中进行溶剂热反应，反应完成后降至室温，离心得到三维zif-8前驱体。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的锌盐溶液和2-甲基咪唑配体溶液采用的溶剂选自甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或几种；所述的锌盐选自硝酸锌、硫酸锌、氯化锌、乙酸锌中的一种或几种。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的溶剂热反应的温度为90-150℃，时间为2-6h。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的al、ni或fe配合物溶液的制备方法为：将铝盐、镍盐或铁盐溶液和配体溶液混合，搅拌反应得到al、ni或fe配合物溶液。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的铝盐、镍盐或铁盐为硝酸盐、硫酸盐、氯盐或乙酸盐；所述的配体选自2,2-联吡啶、1,10-邻菲罗啉中的一种或两种；所述的铝盐、镍盐或铁盐和配体的摩尔比为1:1-3。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、n,n-二甲基甲酰胺、去离子水中的一种或几种；所述的搅拌反应的时间为2-6小时。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述热解的温度为700-1100℃，时间为40-400分钟，升温速率为2-10℃min-1。

10.根据权利要求2-9任一项所述的方法制备得到的单原子催化剂在二氧化碳还原电催化中作为阴极催化剂的应用。

技术总结本发明公开了一种配体辅助热解制备单原子催化剂的方法及其应用。本发明以三维具有丰富的孔道结构的ZIF‑8为框架，在氮气或惰性气氛下进行热解，形成氮碳材料；然后通过掺杂氮碳的静电作用将Al、Ni或Fe配合物吸附到氮碳骨架上，最后在氮气或惰性气氛下进行热解，形成Al、Ni或Fe单原子掺杂氮碳材料。将该材料在中性条件下进行电化学二氧化碳还原测试，其在宽电势范围内均表现出较高的二氧化碳还原电催化性能，且具有良好的稳定性，显示出很高的应用价值。技术研发人员：刘军枫,马占帅,王兵庆,韩爱娟受保护的技术使用者：北京化工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2