Co基双原子N配位电催化剂及其应用

本发明涉及燃料电池，涉及一种co基双原子n配位电催化剂及其应用。

背景技术：

1、新能源的开发与环境保护成为当前时代的主题，如何高效的开发和使用清洁能源已经成为人们关注的重点内容。燃料电池作为一种清洁能源，由于其在使用过程中没有污染物排放，并且基于氢气和氧气的直接作用将化学能转化为电能而具有更高的能量利用率而受到广泛关注。

2、阴极氧还原反应过程十分缓慢，严重阻碍了燃料电池的推广。另一方面，铂基催化剂目前是氧还原反应过程中最常用的催化剂，然而由于铂基金属价格过高而且全球储量有限，大规模的商业应用铂基催化剂并不实际。因此，开发设计不含贵金属的催化剂一直是高效开发清洁能源方面的重点课题。由于石墨烯具有优异的导电性和易调节的电子结构，使掺杂石墨烯有望表现出出色的氧还原反应性能。

3、目前单原子催化剂已经进行了相对较多的研究，在各类过渡金属单原子催化剂中，fen4结构和con4结构最为突出，这是因为两种金属原子表现出对含氧中间体较为合适的吸附强度。其中，con4结构被报道能够表现出更佳的催化性能。尽管目前存在部分对于双金属原子催化剂的研究，但是关于双金属原子催化剂的研究仍然处于起步阶段，探究co基双金属原子催化剂对质子交换膜燃料电池的进一步发展和加速氢能的利用具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种co基双金属原子n配位电催化剂。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种co基双金属原子n配位电催化剂，由co和另一种过渡金属原子掺杂入n掺杂石墨烯形成，首先以掺入的石墨烯g的g-con4为基础，在其旁位掺入另一金属原子m，并将m周围的c原子用n原子取代，所述m包括mn，fe，ni，cu，zn。

4、本发明较优公开例中，所述催化剂由co，m和n掺杂单层石墨烯获得，其中4个n原子在1个co原子周围形成4配位g-con4结构，金属原子m位于co原子旁侧，m原子被co周围的两个n原子与另外两个n原子围绕，最终形成g-comn6结构。

5、本发明较优公开例中，所述石墨烯所使用的超胞为5×5，即co:m:n:c的原子数目之比为1:1:6:40。

6、本发明较优公开例中，所述双金属原子电催化剂的形成能明显低于g-con4的单原子催化剂，双原子催化剂的形成能在-8.21～-12.56ev之间。

7、本发明较优公开例中，所述双金属原子电催化剂的构型没有发生明显的凸起或凹陷。

8、本发明较优公开例中，第二金属原子的加入改变了co位点的mulliken电荷，从而可以达到调节含氧中间体吸附自由能的效果。

9、本发明较优公开例中，所述双金属原子电催化剂中第二金属原子的加入改变了co位点的电荷，从而可以达到调节含氧中间体吸附自由能的效果。

10、本发明较优公开例中，所述催化剂可用于质子交换膜燃料电池阴极催化剂或电解水反应催化剂。

11、本发明的另外一个目的在于，所公开的co基双金属原子n配位电催化剂，可作为质子交换膜燃料电池阴极催化剂，能催化阴极氧还原反应，应用该催化剂的电池具有较高的外电路电势，电势值在0.60v～1.00v之间。

12、所公开的电催化剂亦可作为分解水电解池的阳极催化剂，能高效地催化析氧反应，其析氧反应过电位低至0.25v～0.77v之间。

13、有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

14、本发明公开了一种co基双金属原子n配位电催化剂，双金属原子催化剂具有远大于单金属原子催化剂的稳定性。通过引入第二金属原子改变了原本g-con4单金属原子催化剂中的电荷分布情况，从而调节了对含氧中间体的吸附性能，使催化剂具有较优的氧还原性能，同时还表现出了性能较佳的析氧反应催化活性。双金属原子催化剂在应用于质子交换膜燃料电池的阴极催化剂时，可以带来最大1v的外电路电势，应用于电解池时的阳极催化剂时，具有最低0.25v的过电位。本发明还对催化剂的氧还原反应机理进行了深入的研究，为新型催化剂的开发与设计提供了理论基础。

15、为了验证所提催化剂的性能，制备了g-coznn6，制备方法如下：

16、将4mmol的醋酸锌，16mmol的2-甲基咪唑，0.4mmol的硝酸钴六水合物加入到50ml去离子水中，超声处理30分钟。将混合物在室温下搅拌12小时以上，并将所得样品离心，用去离子水和乙醇洗涤数次后在60℃下干燥过夜，之后将其转移到管式炉中，在流动的ar气下以2℃/min的升温速率加热到900℃，保温两小时后自然冷却至室温。

技术特征：

1.一种co基双金属原子n配位电催化剂，由co和另一种过渡金属原子掺杂入n掺杂石墨烯形成，其特征在于，以g-con4掺入的石墨烯为基础，在其旁位掺入另一金属原子m，并将m周围的c原子用n原子取代，所述m包括mn，fe，ni，cu，zn。

2.根据权利要求1所述的co基双金属原子n配位电催化剂，其特征在于：所述催化剂由co，m和n掺杂单层石墨烯获得，其中4个n原子在1个co原子周围形成4配位g-con4结构，金属原子m位于co原子旁侧，m原子被co周围的两个n原子与另外两个n原子围绕，最终形成g-comn6结构。

3.根据权利要求1所述的co基双金属原子n配位电催化剂，其特征在于：石墨烯所使用的超胞为5×5，即co:m:n:c的原子数目之比为1:1:6:40。

4.根据权利要求1所述co基双金属原子n配位电催化剂，其特征在于：双原子催化剂的形成能在-8.21～-12.56ev之间。

5.根据权利要求1所述co基双金属原子n配位电催化剂，其特征在于：双金属原子催化剂的构型没有发生明显的凸起或凹陷。

6.根据权利要求1所述co基双金属原子n配位电催化剂，其特征在于：第二金属原子的加入改变了co位点的mulliken电荷。

7.根据权利要求1-6所述co基双金属原子n配位电催化剂的应用，其特征在于：其用于质子交换膜燃料电池阴极催化剂或电解水反应催化剂。

8.根据权利要求7所述co基双金属原子n配位电催化剂的应用，其特征在于：用作质子交换膜燃料电池阴极催化剂时，电池外电路电势最高可达1v。

9.根据权利要求7所述co基双金属原子n配位电催化剂的应用，其特征在于：用作电解水反应催化时，其过电位可低至0.25v。

10.根据权利要求7所述co基双金属原子n配位电催化剂的应用，其特征在于：合成的co-zn共掺催化剂显示了1.07v的起始电位。

技术总结本发明本发明涉及燃料电池技术领域，涉及一种Co基双原子N配位电催化剂及其应用，在该催化剂中，将Co和第二金属原子相邻的C原子全部用N原子取代。所述其他过渡金属原子包括Mn，Fe，Ni，Cu，Zn。本发明公开的双金属原子催化剂可用于质子交换膜燃料电池的阴极催化剂。通过第二金属原子的引入改变了Co原子对各类含氧中间体的吸附性能，从而使得双原子催化剂表现出令人满意的氧还原催化性能，另外，发现双原子催化剂同样可以表现出比单原子催化剂更好的析氧催化性能。本发明对双原子催化剂的反应热力学进行了分析，阐述了氧还原反应的热力学过程，为双原子催化剂的研究开发提供了理论基础。技术研发人员：陈振乾,朱玉熙,许波,施娟受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10