一种介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料及其制备方法和应用。该方法通过以过渡金属盐与有机小分子作为前驱体，以表面功能化介孔二氧化硅SBA

【技术实现步骤摘要】
一种介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于纳米材料催化剂、电化学能源
，具体涉及一种介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料及其制备方法和该材料在电催化氧还原反应中的应用。

技术介绍

[0002]当今社会正面临着传统化石能源资源短缺和严重的环境污染，亟需一种更加有效的方法来缓解全球能源和环境的问题。氧还原反应是各种可再生电化学能量转换和存储设备中的重要电化学过程。在现阶段，Pt基催化剂作为最佳的商品化氧还原(ORR)催化剂由于其供应稀缺、成本高和耐用性差，极大地限制了商业应用。
[0003]单原子催化剂拥有均相和非均相的共同优点，有近100％的原子利用率，效率高、选择性好、稳定性强、可回收使用的优点，在电化学催化和有机催化方面都有着重要的作用。单原子材料的合成方法包括浸渍法、共沉淀法、原子层沉积、热解合成、球磨法等。在这些合成方法中，热解合成方法简单易操作，可通过一步法合成所需的单原子催化剂。另外由于单个金属原子本身极其不稳定，需要合适的载体才能稳定它。
[0004]目前尚缺少一种足够稳定、综合性优异的金属单原子催化剂。

技术实现思路

[0005]针对上述技术问题，本专利技术提供一种介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料及其制备方法和应用。
[0006]本专利技术提供的制备方法通过有机小分子中掺杂的杂原子与过渡金属原子相配位，防止金属原子在高温热解时聚集长大，达到稳定单一金属原子的目的，采用一步法即可完成制备，制备过程简单，操作方便。该制备方法利用介孔二氧化硅SBA
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OH模板剂，将配位的金属离子和有机小分子填入到模板孔道中，经除去模板后可复制出介孔材料模板的二维六方介观结构和棒状形貌，得到金属原子高度分散的，介孔孔道均一，比表面积大的介孔氮掺杂碳负载单原子催化剂材料。本专利技术所制备的介孔氮掺杂碳负载铁单原子材料可作为氧还原催化剂，综合性能优异，有望成为一种优秀的Pt基催化剂替代品。
[0007]本专利技术提供的技术方案如下：
[0008]本专利技术第一方面提供一种介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)将过渡金属盐前驱体加入到分散在作为碳、氮源的有机小分子的乙醇水溶液中，加热搅拌至完全溶解得到溶液A；
[0010](2)将模板剂SBA
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OH加入到溶液A中，搅拌均匀后蒸发溶剂，然后干燥，再在惰性气氛中升温煅烧，冷却至室温得到粗产物；
[0011](3)使用氢氟酸溶液浸泡样品去除模板剂SBA
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OH，经酸、水洗涤，抽滤、干燥、研磨，即得氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料。
[0012]进一步，所述步骤(1)中，过渡金属盐中的过渡金属包括铁、钴、镍、铜、锌、铬和锰。
[0013]更进一步，所述步骤(1)中，过渡金属盐包括硝酸铁、氯化铁、硝酸钴、氯化钴、硝酸镍、氯化镍、硝酸铜、氯化铜、硝酸锌、氯化锌、硝酸铬、氯化铬、硝酸锰和氯化锰。
[0014]进一步，所述步骤(1)中，作为碳、氮源的有机小分子为同时含有碳和氮的、可与金属原子配位的有机小分子，分子量小于400。
[0015]更进一步，所述步骤(1)中，作为碳、氮源的有机小分子包括邻二氮杂菲、3
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氨基酚、邻苯二胺、色氨酸、酪氨酸、精氨酸和半胱氨酸。
[0016]进一步，所述步骤(1)中，过渡金属盐和有机小分子的物质的量比为(1:32)
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(1:128)。
[0017]进一步，所述步骤(1)中，所述乙醇水溶液中乙醇与水的体积比为1:1。
[0018]进一步，所述步骤(1)中，有机小分子与乙醇水溶液的用量比为1g:(20
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50)mL。
[0019]进一步，所述步骤(2)中，搅拌时间为1
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4小时，干燥温度为40
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80℃。
[0020]进一步，所述步骤(2)中，升温速率为1
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10℃/min，煅烧温度为500
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900℃，煅烧时间为1
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5小时。
[0021]进一步，所述步骤(2)中，模板剂SBA
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OH与有机小分子的用量比为1g:(1
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2)g。
[0022]进一步，所述步骤(3)中氢氟酸的体积分数为1
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40％，浸泡时间为0.1
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24小时。
[0023]进一步，所述步骤(3)中稀盐酸浓度为0.1
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5mol/L，酸洗时间为1
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24小时；所述的干燥时间为6
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24小时。
[0024]第二方面，本专利技术提供利用第一方面方法制备的介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料。
[0025]第三方面，本专利技术提供第二方面所述的介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料作为燃料电池的氧还原催化剂材料的应用。
[0026]本专利技术的有益效果：
[0027]1)本专利技术采用有机小分子作为碳氮源制备氮掺杂碳载体，有机小分子含多种杂原子，作为载体优势明显，可有效避免天然产物和合成聚合物存在的杂原子含量有限和聚合过程长的问题。
[0028]2)本专利技术利用杂原子与金属原子之间的配位作用锚定金属原子，抑制其聚集长大形成团簇或纳米粒子，一步法合成单原子催化剂材料，过程简单，操作简便，可实现工业化量产。
[0029]3)本专利技术使用介孔SBA
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OH作为模板剂，制备的材料拥有规则有序的介孔结构，高比表面积。
[0030]4)本专利技术制备的介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料可作为燃料电池的氧还原催化剂材料应用于电催化氧还原
，具有较大的应用潜力。
附图说明
[0031]图1为实施例1
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7制得的介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子的X射线衍射图。
[0032]图2a、b、c、d、e、f、g分别为实施例1
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7制得的介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子的透射单子显微镜图。
[0033]图3为实施例2制得的介孔氮掺杂碳负载铁单原子电催化氧还原的循环伏安曲线
图。
[0034]图4为实施例2制得的介孔氮掺杂碳负载铁单原子的电催化氧还原的线性扫描曲线图。
具体实施方式
[0035]本专利技术提供一种介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子的制备方法及其在电催化氧还原反应中的应用，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行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0036]本专利技术提供一种介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子的制备方法，包括以下步骤：
[0037]1)将无机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种介孔氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将过渡金属盐前驱体加入到分散在作为碳、氮源的有机小分子的乙醇水溶液中，加热搅拌至完全溶解得到溶液A；(2)将模板剂SBA
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OH加入到溶液A中，搅拌均匀后蒸发溶剂，然后干燥，再升温煅烧，冷却至室温得到粗产物；(3)使用氢氟酸溶液浸泡样品去除模板剂SBA
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OH，经酸、水洗涤，抽滤、干燥、研磨，即得氮掺杂碳负载过渡金属单原子材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，过渡金属盐中的过渡金属包括铁、钴、镍、铜、锌、铬和锰。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，过渡金属盐包括硝酸铁、氯化铁、硝酸钴、氯化钴、硝酸镍、氯化镍、硝酸铜、氯化铜、硝酸锌、氯化锌、硝酸铬、氯化铬、硝酸锰和氯化锰。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，作为碳、氮源的有机小分子为同时含有碳和氮的、可与金属原子配位的有机小分子，分子量小于400。5.根据权利要求1所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾栋，解明月，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：