一种疏水碳基铁钴双原子催化剂的制备方法及应用

本发明属于电化学，涉及一种疏水碳基铁钴双原子催化剂的制备方法及其在电化学还原二氧化碳中的应用。

背景技术：

1、二氧化碳(co2)是一种由于化石燃料燃烧而增加的温室气体，造成了全球变暖、海水酸化、海平面上升等一系列环境问题。将co2转化为高价值的燃料和化学品，如甲酸盐(hcooh)和一氧化碳(co)，是一种同时实现减少温室气体和碳资源化利用双重目标的高前景策略。在各种co2转化策略中，电化学co2还原反应(co2rr)因其操作条件温和、转化效率高而受到广泛关注。但是co2分子作为反应物具有相当稳定的性质，如选择性低、电子传递动力学缓慢、过电位高等，co2rr仍然存在许多问题。

2、单原子催化剂(sacs)具有可调节的配位环境、优秀的结构关系和较高的原子利用率，具有优异的催化性能。催化性能与催化剂的电子结构和配位环境有着复杂的联系，共价有机框架(cof)作为优异金属锚定框架，在上面构建的sacs可以获得精确定义的结构。迄今为止，ag、au和pd等贵金属催化剂几乎可以100％选择性地将co2转化为co。但是这些贵金属的稀缺性和高成本是制约其大规模应用的主要因素。并且co2rr涉及一个复杂的多步电子转移过程，具有双位点的双原子催化剂(dacs)可以在相邻的单原子之间表现出协同相互作用，可以调节活性位点的电子结构，打破反应的限制。此外，利用合适的载体能够牢固地固定单个原子，并且能够充分提高原子利用率，保持较高的催化活性。

3、本发明通过简单的水热反应，可以大规模地合成具有精确定义的mn4配位结构，并且利用疏水氮掺杂碳纳米管作为载体材料，能够便捷稳定地一步合成疏水碳基铁钴双原子催化剂。该方法可以明显提高原子利用率和催化活性，具有合成步骤简单、成本低、产量高、催化选择性高、导电性能和稳定性能优异等特点，在原子水平上对廉价金属具有优异的co2rr催化性能。此外，疏水氮掺杂碳纳米管的引入，不仅可以增强对二氧化碳的传质，还可以调节金属位点的电子结构，增强比表面积和电导率。该催化剂在较宽电压范围内(-0.5v～-0.9v)对co的选择性高达95％以上，低剂量催化剂(1mg)的投入能够在恒电压-0.8v下对co表现出高达24小时以上的高催化性、高产物选择性以及高稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对生产生活中产生的二氧化碳采用现有常规电化学还原选择性低、价格昂贵等问题，提供了一种疏水碳基铁钴双原子催化剂(co1fe1-n-c)材料电催化还原二氧化碳，并对含有疏水碳基铁钴双原子催化剂材料的制备方法和应用条件进行说明。

2、第一方面，本发明提供一种疏水碳基铁钴双原子催化剂的制备方法，其包括以下步骤：

3、步骤一、将氮掺杂碳纳米管在盐酸浸泡后，加入聚四氟乙烯的n,n-二甲基甲酰胺溶液中40℃～80℃水浴搅拌，随后洗净烘干备用，得到疏水氮掺杂碳纳米管。

4、步骤二、将疏水氮掺杂碳纳米管、均苯四甲腈、无水氯化钴和无水氯化铁加入n,n-二甲基甲酰胺和乙二醇的混合溶剂中，并超声处理；其中，无水氯化钴与无水氯化铁的物质的量之比为1:(1～9)。

5、步骤三、将步骤二所得的混合溶液置于氮气气氛中，加入聚合催化剂，搅拌反应。

6、步骤四、对步骤三所得产物进行水热反应，得到疏水碳基铁钴双原子催化剂。

7、作为优选，步骤一中，盐酸的浓度为1m～3m；氮掺杂碳纳米管在盐酸中的浸泡时长为12～24小时；聚四氟乙烯在n,n-二甲基甲酰胺中的浓度为1.5g/l～3.5g/l；水浴搅拌的条件为40～80℃的温度下搅拌8h～12h，使得氮掺杂碳纳米管达到超疏水状态，随后用大量甲醇、去离子水洗净烘干，得到ncnt-x。

8、作为优选，步骤二中，n,n-二甲基甲酰胺和乙二醇的体积比为(5～10):1。均苯四甲腈与金属氯化物的摩尔比为1:0.6。

9、作为优选，步骤三中，所述的聚合催化剂为双环脒(dbu)；反应时间为20min～30min。

10、作为优选，步骤四中水热反应的条件为180℃温度下反应68h～72h。

11、作为优选，步骤四中，所得水热反应所得产物依次使用盐酸水溶液(v盐酸：v水＝1:1)、无水乙醇和去离子水各洗涤多次。

12、第二方面，本发明提供一种疏水碳基铁钴双原子催化剂，其呈棍状形貌，通过前述的制备方法制备得到。

13、第三方面，本发明提供前述的一种疏水碳基铁钴双原子催化剂在二氧化碳电催化还原制备一氧化碳中的应用。

14、作为优选，二氧化碳电催化还原反应中使用的工作电极的制备过程为：将权利要求7所述的一种疏水碳基铁钴双原子催化剂，加入无水乙醇和萘酚膜的混合溶液中，超声混合，将得到的混合液均匀滴涂在疏水碳纸上，得到工作电极。

15、作为优选，使用h型双室反应器进行反应，电解液为0.5m khco3溶液。对电极采用铂片。参比电极采用氯化银电极。

16、作为优选，反应电压为-0.5～-0.9v。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

18、1.本发明提供了一种含有疏水碳基铁钴双原子催化剂(co1fe1-n-c)。该催化剂由均苯四甲腈作为单体与铁钴中心组装，形成一个完全封装的金属有机框架。疏水氮掺杂碳纳米管为铁钴双原子结构中的单个me-n-c中心提供了一个稳定的支架，使得所得疏水碳基铁钴双原子催化剂材料耐酸耐碱，具有很高的稳定性，保证催化剂在该体系中稳定运行24小时以上。

19、2.本发明引入了疏水氮掺杂碳纳米管作为前驱体混合物的一部分，使铁钴双原子催化剂能够均匀分散，避免团聚，并且相比于未疏水ncnt可以增强二氧化碳的传质，提高活性位点的比表面积和电导率，能够有效促进电催化还原二氧化碳，co1fe1-n-c在-0.8v时电流密度可以达到18ma·cm-2。

20、3.本发明合成的含有疏水碳基铁钴双原子催化剂(co1fe1-n-c)，铁钴双金属元素的引入，协同增强了fe和co的活性位点。在二氧化碳转化为一氧化碳的关键步骤是*cooh中间体的生产，fe的加入降低了fe1co1-n-c中co位生成*cooh的能垒，促进向co的转化。

21、4.本发明合成的疏水碳基铁钴双原子催化剂(co1fe1-n-c)在电催化还原二氧化碳领域表现出色，具有较强的还原能力。此外，反应体系操作简便、成本低、无二次污染、稳定性强。

技术特征：

1.一种疏水碳基铁钴双原子催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一中，盐酸的浓度为1m～3m；氮掺杂碳纳米管在盐酸中的浸泡时长为12～24小时；聚四氟乙烯在n,n-二甲基甲酰胺中的浓度为1.5g/l～3.5g/l；水浴搅拌的条件为40～80℃的温度下搅拌8h～12h，使得氮掺杂碳纳米管达到超疏水状态。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤二中，n,n-二甲基甲酰胺和乙二醇的体积比为(5～10):1；均苯四甲腈与金属氯化物的摩尔比为1:0.6。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述的聚合催化剂为双环脒；反应时间为20min～30min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤五中水热反应的条件为180℃温度下反应68h～72h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤五中，所得水热反应所得产物依次使用盐酸水溶液、无水乙醇和去离子水各洗涤多次。

7.一种疏水碳基铁钴双原子催化剂，其特征在于：呈棍状形貌，通过如权利要求1-6中任意一项所述的制备方法制备得到。

8.如权利要求7所述的一种铁钴双金属酞菁单原子疏水碳基催化剂在二氧化碳电催化还原制备一氧化碳中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：二氧化碳电催化还原反应中使用的工作电极的制备过程为：将权利要求7所述的一种疏水碳基铁钴双原子催化剂，加入无水乙醇和萘酚膜的混合溶液中，超声混合，将得到的混合液均匀滴涂在疏水碳纸上，得到工作电极。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：反应电压为-0.5～-0.9v。

技术总结本发明公开了一种疏水碳基铁钴双原子催化剂的制备方法及应用；该制备方法如下：一、将氮掺杂碳纳米管在盐酸浸泡后，加入聚四氟乙烯的N,N‑二甲基甲酰胺溶液中水浴搅拌；二、将疏水氮掺杂碳纳米管、均苯四甲腈、无水氯化钴和无水氯化铁加入N,N‑二甲基甲酰胺和乙二醇的混合溶剂中超声处理；三、在所得的混合溶液中加入聚合催化剂搅拌反应。四、对所得产物进行水热反应。本发明制备的催化剂形成完全封装的金属有机框架，且疏水氮掺杂碳纳米管不仅可以增强二氧化碳的传质和导电性，而且为铁钴双原子结构中的单个Me‑N‑C中心提供了一个稳定的支架，使得该催化剂材料耐酸耐碱，具有很高的稳定性。技术研发人员：曾滔,余鑫怡,郦淑琦,唐晓烽,金职权,金思佳,宋爽受保护的技术使用者：浙江工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18