一种单原子催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种单原子催化剂及其制备方法，属于催化剂技术领域。本发明专利技术提出一种单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：用金属箔包覆g

【技术实现步骤摘要】
一种单原子催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及催化剂
，具体涉及一种单原子催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]氢氧燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的新型清洁能源转换装置，其能量转化效率高，产物环保无污染，近年来受到越来越多科研工作者的关注。然而，氢氧燃料电池阴极较低的氧还原反应效率限制了它的快速发展，所以开发高效氧还原反应催化剂至关重要。目前应用于氢氧燃料电池阴极的催化剂大多为贵金属铂纳米粒子或者铂合金，虽然其具有较好催化效果，但是其高昂的价格，有限的地球存储量，差强人意的稳定性和甲醇耐受性也限制了贵金属铂催化剂的大规模应用。故开发低成本，高效的氧还原反应催化剂是加速氢氧燃料电池商业化的重要手段。
[0003]目前广泛研究的氧还原催化剂除了贵金属铂及其合金化合物，过渡金属(如铜，铁，钴，镍)及其化合物基于其优异的氧还原催化性能，较低的成本，丰富的地球存储量也备受关注，目前主要集中在过渡金属氧化物，过渡金属纳米粒子及其合金的研究。基于贵金属铂催化剂对于氧还原反应优异的催化性能，目前对其的研究重点主要在于提高催化剂的利用率和稳定性，降低贵金属铂的使用量从而达到在不牺牲性能的前提下降低使用成本的效果；同时，由于过渡金属在高温热解的过程中，金属纳米粒子会出现不同程度的团聚，由此引发活性位点浓度的降低，故极大地降低了催化剂的催化效率。故探索具有高分散的氧还原催化剂提高催化剂利用率是解决目前氧还原催化剂存在的问题的有效方法。
[0004]单原子催化剂是金属以单个原子的形式负载在载体上的一种高效催化剂。由于每个金属原子单一分散在载体上的特点，单原子催化剂不仅具有性质均一稳定的特点，它还表现出极高的选择性；此外，由于活性位点完全暴露，可以实现催化效率最大化。这些优点可以有效解决贵金属高成本和过渡金属纳米粒子团聚的问题。不仅如此，除了开发高性能，低成本氧还原催化剂，探讨氧还原反应机理研究也至关重要。过渡金属基催化剂往往是集金属纳米粒子，金属氮化物，金属碳化物等多活性位点于一体的集合体，故过渡金属基催化剂催化氧还原反应机理一直没有定论。单原子催化剂单一的催化活性位点，相对单一的催化环境是探索过渡金属氧还原反应机理的有效手段。目前较为常见的单原子催化剂的合成方法多为首先合成过渡金属配合物，或者是使用金属有机框架结构作为模板等方法，随后通过进一步碳化处理得到单分散金属催化剂；或者通过高温热处理含过渡金属前驱体，随后通过酸洗去除金属纳米粒子的方法获得单原子催化剂。这些方法不仅操作相对麻烦，此外在合成的过程中会使用大量的有机溶剂，后续的废液回收也会较为复杂且不环保。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述技术不足，提供一种单原子催化剂及其制备方法，解决现有技术中如何避免使用有机溶剂及酸洗步骤制得半波电势高的单原子催化剂的技术问题。
[0006]为达到上述技术目的，本专利技术的技术方案提供一种单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：用金属箔包覆g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维，在惰性气体氛围中，升温至900
‑
1100℃并保温得到所述单原子催化剂。
[0007]进一步地，所述升温的速率为2
‑
8℃/min。
[0008]进一步地，所述保温的时间为0.5
‑
3h。
[0009]进一步地，所述金属箔为铜箔、铁箔或者镍箔。
[0010]进一步地，所述g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维由以下步骤制得：
[0011]将g
‑
C3N4纳米片母液和聚丙烯腈母液混合得到纺丝液，之后以所述纺丝液为原料采用静电纺丝的方法制得所述g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维。
[0012]进一步地，所述g
‑
C3N4纳米片母液和所述聚丙烯腈母液按照g
‑
C3N4纳米片与聚丙烯腈的质量比1:1
‑
3混合得到所述纺丝液。
[0013]进一步地，所述g
‑
C3N4纳米片母液中的g
‑
C3N4纳米片由以下步骤制得：以尿素、二聚氰氨和三聚氰胺中的一种或者几种为原料，在500
‑
600℃惰性气体保护下煅烧制得。
[0014]进一步地，所述煅烧的时间为3
‑
4h。
[0015]进一步地，将所述g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维置于瓷舟中，用所述金属箔将瓷舟的顶部包覆。
[0016]此外，本专利技术还提出一种单原子催化剂，由上述单原子催化剂的制备方法制备得到。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维为多孔材料，利用金属箔在高温900
‑
1100℃下随着金属键的断裂，金属原子脱离相邻金属原子的束缚被氮掺杂碳纳米纤维捕获，金属原子与氮配位，从而以单个原子的形式锚固在氮杂碳纳米网络中制得单原子催化剂，不需要进一步酸洗也避免了使用有机溶剂，也不需要使用过渡金属络合物，制得的单原子催化剂的半波电势高达0.83V。
附图说明
[0018]图1是本专利技术实施例1静电纺丝所制备的g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维前驱体扫描电镜图。
[0019]图2是本专利技术实施例1制得的单原子催化剂扫描电镜图。
[0020]图3是本专利技术实施例1制得的单原子催化剂透射电镜图。
[0021]图4是本专利技术实施例1制得的单原子催化剂球差透射电镜图。
[0022]图5是本专利技术实施例1所制备的单原子催化剂和商业化Pt/C催化剂在碱性条件下催化氧还原反应的性能曲线图。
具体实施方式
[0023]本具体实施方式提供了一种单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：用金属箔包覆g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维，在惰性气体氛围中，按照2
‑
8℃/min的升温速率升温至900
‑
1100℃并保温0.5
‑
3h得到所述单原子催化剂；进一步地，所述金属箔为铜箔、铁箔或者镍箔；进一步地，将所述g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维置于瓷舟中，用所述金属箔将瓷舟的顶部包覆。
[0024]进一步地，所述g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维由以下步骤制得：
[0025]以尿素、二聚氰氨和三聚氰胺中的一种或者几种为原料，在500
‑
600℃及惰性气体
保护下煅烧3
‑
4h制得块状类石墨相氮化碳，将块状类石墨相氮化碳充分研磨之后加入到去离子水中，超声一段时间后静置并取上清液离心，将离心后的沉淀在真空条件下干燥并研磨得g
‑
C3N4纳米片，取g
‑
C3N4纳米片分散于N，N
’‑
二甲基甲酰胺(DMF)后制得g
‑
C3N4纳米片分散液；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：用金属箔包覆g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维，在惰性气体氛围中，升温至900
‑
1100℃并保温得到所述单原子催化剂。2.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述升温的速率为2
‑
8℃/min。3.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述保温的时间为0.5
‑
3h。4.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述金属箔为铜箔、铁箔或者镍箔。5.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维由以下步骤制得：将g
‑
C3N4纳米片母液和聚丙烯腈母液混合得到纺丝液，之后以所述纺丝液为原料采用静电纺丝的方法制得所述g
‑
C3N4/聚丙烯腈纤维。6.根据权利要求5所述的单原子催化剂的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海宁，范美玲，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：