一种高稳定性金属纳米团簇催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种高稳定性金属纳米团簇催化剂及其制备方法与应用，其中，制备方法包括步骤：将洗净干燥的荔枝壳加入碳酸钾溶液搅拌后，蒸干研磨，得到刻蚀后荔枝壳；将刻蚀后荔枝壳在惰性气氛下煅烧后，用硝酸进行中和处理，抽滤并干燥，得到富有微孔结构的缺陷碳载体；将缺陷碳载体浸渍在金属离子溶液中并搅拌后，烘干至水完全蒸发，得到催化剂前驱体粉末；将催化剂前驱体粉末在惰性气氛下进行煅烧处理，得到高稳定性金属纳米团簇催化剂。本发明专利技术合成的金属纳米团簇可以有效地防止金属在煅烧过程中的聚集，使金属团簇的直径主要分布在1nm左右。通过本发明专利技术制备的高稳定性金属纳米团簇催化剂能实现高选择性、高转化效率的二氧化碳电化学还原。

【技术实现步骤摘要】
一种高稳定性金属纳米团簇催化剂及其制备方法与应用
本专利技术涉及二氧化碳电化学还原催化剂制备领域，尤其涉及一种高稳定性金属纳米团簇催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
由于人类生活发展的需要，大量不可再生的化石燃料被开发利用，使得大量碳化物、氮化物、氟化物等气体大量排入大气中，在造成环境污染的同时也陷入了能源危机。其中特别是CO2的大量排放，在导致温室效应的同时对环境产生了不可逆的损害，比如：冰川消融、海平面上升、海水酸化、土地荒漠化等，这严重威胁了人类与地球其他物种的生存与发展。然而，环境中游离的CO2可被绿色植物通过光合作用进而转化为含碳有机物，受此启发，让人类意识到CO2是一种丰富、廉价且无毒的C1资源，可用于转化生产多种燃料或有机化学品。电催化还原技术因其具有良好的环境兼容性而具有很大的发展潜力，其中借助可再生能源通过电催化还原CO2可以实现消耗CO2的同时，将其转化为增值化学品的双赢目标。但是，介于稳定的线性CO2分子及结构以及在水中溶解度较低，电化学还原CO2中面临反应速率低、电流密度小、催化还原产物选择性差、能源转化效率不高以及长时间稳定性差等问题。为此，寻求高活性、高选择性、强稳定性、高能量转化效率的CO2还原电催化剂是目前研究亟待解决的问题。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高稳定性金属纳米团簇催化剂及其制备方法与应用，旨在解决现有电催化剂材料不能实现高选择性、高转化效率的二氧化碳电化学还原的问题。本专利技术的技术方案如下：一种高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其中，包括步骤：取荔枝壳放入反应釜中，用去离子水加热洗净，并烘干干燥；将洗净干燥的荔枝壳加入碳酸钾溶液搅拌后，蒸干研磨，得到刻蚀后荔枝壳；将所述刻蚀后荔枝壳在惰性气氛下煅烧后，用硝酸进行中和处理，抽滤并干燥，得到富有微孔结构的缺陷碳载体；将所述缺陷碳载体浸渍在金属离子溶液中并搅拌后，烘干至水完全蒸发，得到催化剂前驱体粉末；将所述催化剂前驱体粉末在惰性气氛下进行煅烧处理，得到高稳定性金属纳米团簇催化剂。所述高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其中，所述取荔枝壳放入反应釜中，用去离子水加热洗净的步骤中，加热温度为100-200℃，时间为15-30小时。所述高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其中，所述取荔枝壳放入反应釜中，用去离子水加热洗净，并烘干干燥的步骤中，烘干温度为80-120℃，时间为15-30小时。所述高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其中，将所述刻蚀后荔枝壳在惰性气氛下煅烧的步骤中，所述煅烧过程采用程序升温方式进行：第一段升温速率为1-5℃·min-1，升温至400-500℃保温1-2小时，第二段升温速率为1-5℃·min-1，升温至1000-1200℃保温1-3小时。所述高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其中，将所述刻蚀后荔枝壳在惰性气氛下煅烧的步骤中，惰性气氛为氦气、氮气或氩气中的一种，气流速度为60-100mL/min。所述高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其中，所述金属离子溶液包括铁离子、钴离子、镍离子和铜离子中的一种或多种。所述高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其中，所述金属离子溶液为氯化铜溶液。所述高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其中，所述将所述催化剂前驱体粉末在惰性气氛下进行煅烧处理的步骤中，所述煅烧处理采取程序升温方式进行：升温速率为1-5℃·min-1，升温至500-800℃保温1-2小时。一种高稳定性金属纳米团簇催化剂，其中，采用本专利技术所述高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法制得。一种高稳定性金属纳米团簇催化剂的应用，其中，将本专利技术所述高稳定性金属纳米团簇催化剂用于电化学还原CO2制备甲烷。有益效果：本专利技术利用荔枝壳制备了含有丰富微孔和缺陷的碳载体，在碳载体存在的缺陷和微孔的双重约束作用下，开发了一种金属纳米团簇的合成的普适方法。本专利技术合成的金属纳米团簇可以有效地防止金属在煅烧过程中的聚集，使金属团簇的直径主要分布在1nm左右，通过缺陷和微孔的双重约束作用为合成金属纳米团簇提供了一条新颖而简单的途径。通过本专利技术制备的高稳定性金属纳米团簇催化剂能实现高选择性、高转化效率的二氧化碳电化学还原。附图说明图1为本专利技术提供的一种高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法较佳实施例的流程图。图2为本专利技术中实施例1-3的二氧化碳还原催化剂在CO2饱和的0.5MKHCO3中的循环伏安曲线图。图3为本专利技术实施例2的二氧化碳还原催化剂制备原理图。图4为本专利技术实施例2的二氧化碳还原催化剂的电镜图。图5本专利技术中实施例2的二氧化碳还原催化剂在CO2饱和的0.5MKHCO3中不同电位下电解1小时产物法拉第效率图。具体实施方式本专利技术提供一种高稳定性金属纳米团簇催化剂及其制备方法与应用，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。请参阅图1，图1为本专利技术提供的一种高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法较佳实施例流程图，如图所示，其包括步骤：S10、取荔枝壳放入反应釜中，用去离子水加热洗净，并烘干干燥；S20、将洗净干燥的荔枝壳加入碳酸钾溶液搅拌后，蒸干研磨，得到刻蚀后荔枝壳；S30、将所述刻蚀后荔枝壳在惰性气氛下煅烧后，用硝酸进行中和处理，抽滤并干燥，得到富有微孔结构的缺陷碳载体；S40、将所述缺陷碳载体浸渍在金属离子溶液中并搅拌后，烘干至水完全蒸发，得到催化剂前驱体粉末；S50、将所述催化剂前驱体粉末在惰性气氛下进行煅烧处理，得到高稳定性金属纳米团簇催化剂。本实施例以廉价易得的荔枝壳作为原材料，以碳酸钾作为腐蚀剂对所述荔枝壳进行刻蚀处理，得到富有微控结构的缺陷碳(DRC)载体，然后将所述缺陷碳载体浸渍在不同金属离子溶液中，再于惰性气氛下进行高温煅烧处理，从而制得高稳定性金属纳米团簇催化剂。本实施例通过浸渍-煅烧的路线，在所述缺陷碳载体的微孔和缺陷的双重约束下合成了金属纳米团簇催化剂，本实施例合成的纳米团簇可以有效地防止金属在煅烧过程中的聚集，使金属团簇的直径主要分布在1nm左右，该合成方法简单，环境友好并且成本低廉。并且通过本实施例制得的金属纳米团簇催化剂稳定性高，且能实现高选择性、高转化效率的二氧化碳电化学还原。在一些实施方式中，所述取荔枝壳放入反应釜中，用去离子水加热洗净的步骤中，加热温度为100-200℃，时间为15-30小时。在一些实施方式中，所述取荔枝壳放入反应釜中，用去离子水加热洗净，并烘干干燥的步骤中，烘干温度为80-120℃，时间为15-30小时。在一些实施方式中，将所述刻蚀后荔枝壳在惰性气氛下煅烧的步骤中，所述煅烧过程采用程序升温方式进行：第一段升温速率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤：/n取荔枝壳放入反应釜中，用去离子水加热洗净，并烘干干燥；/n将洗净干燥的荔枝壳加入碳酸钾溶液搅拌后，蒸干研磨，得到刻蚀后荔枝壳；/n将所述刻蚀后荔枝壳在惰性气氛下煅烧后，用硝酸进行中和处理，抽滤并干燥，得到富有微孔结构的缺陷碳载体；/n将所述缺陷碳载体浸渍在金属离子溶液中并搅拌后，烘干至水完全蒸发，得到催化剂前驱体粉末；/n将所述催化剂前驱体粉末在惰性气氛下进行煅烧处理，得到高稳定性金属纳米团簇催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤：
取荔枝壳放入反应釜中，用去离子水加热洗净，并烘干干燥；
将洗净干燥的荔枝壳加入碳酸钾溶液搅拌后，蒸干研磨，得到刻蚀后荔枝壳；
将所述刻蚀后荔枝壳在惰性气氛下煅烧后，用硝酸进行中和处理，抽滤并干燥，得到富有微孔结构的缺陷碳载体；
将所述缺陷碳载体浸渍在金属离子溶液中并搅拌后，烘干至水完全蒸发，得到催化剂前驱体粉末；
将所述催化剂前驱体粉末在惰性气氛下进行煅烧处理，得到高稳定性金属纳米团簇催化剂。


2.根据权利要求1所述高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其特征在于，所述取荔枝壳放入反应釜中，用去离子水加热洗净的步骤中，加热温度为100-200℃，时间为15-30小时。


3.根据权利要求1所述高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其特征在于，所述取荔枝壳放入反应釜中，用去离子水加热洗净，并烘干干燥的步骤中，烘干温度为80-120℃，时间为15-30小时。


4.根据权利要求1所述高稳定性金属纳米团簇催化剂的制备方法，其特征在于，将所述刻蚀后荔枝壳在惰性气氛下煅烧的步骤中，所述煅烧过程采用程序升温方式进行：第一段升温速率为1-5℃·min-1，升温至400-500℃保温...

【专利技术属性】
技术研发人员：何传新，高可如，胡琪，杨恒攀，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44