一种用于电催化CO2还原的双金属单原子催化剂及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于电催化CO2还原的双金属单原子催化剂及制备方法。本方法首先以富含氮源的ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种用于电催化CO2还原的双金属单原子催化剂及制备方法


[0001]本专利技术属于电催化CO2还原领域，具体涉及一种用于电催化CO2还原的双金属单原子催化剂电催化材料Fe/Mn
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N
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C及制备方法。

技术介绍

[0002]电催化CO2还原作为一种环境友好、高效的能源转换途径受到了广泛关注，有望缓解化石燃料快速消耗的能源危机和海平面上升以及海洋酸化为特征的二氧化碳排放量过多的环境问题。电催化CO2还原方向的重点研究领域是对现有催化剂的改性和对催化剂构
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效关系的认识和理解。通过调整各种催化剂的尺寸、结构、形貌和组成，金属、金属氧化物、碳材料和分子化合物等催化剂在电还原CO2中的性能得到了极大的提高。不幸的是，电化学还原过程的转化效率，过电位和选择性仍然受到限制。
[0003]近年，锚定在氮掺杂碳材料上的金属单原子催化剂(SACs)由于其具有极高的原子利用率、独特的电子结构和优异的活性而受到广泛的关注。尽管如此，但大多数已开发的SACs和传统的金属催化剂通常与中间体的吸附强度呈现固有的线性关系。不同类型的催化剂对CO2的吸附构型、结合强度和转化途径可能完全不同，从而得到的产物也可能分布完全不同。值得注意的是，考虑到碳具有不同的价态，且C
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C耦合反应复杂，故一个系统中往往共存着不同的转换路径，导致选择性较低。另外，CO2是一个稳定的线性分子，具有强大的化学惰性，使得激活C＝O键需要较高的过电位。而双原子催化剂(DACs)可将相邻的金属原子稳定在固体基体上，综合了单原子催化剂和传统纳米颗粒的特性，如最大限度的金属原子利用率、独特电子结构以及双金属原子的协同效应，在多功能电催化方面具有巨大的潜力。DACs的一个显著优点是，这些相邻的金属原子具有不饱和配位，可以协同调节反应物活化和中间体吸附的行为，加速整体反应的进行，在需要各种反应物和中间体的反应中，可以完美突破SACs的局限性。因此，专利技术一种DACs的方法至关重要，这不仅对原子调控方面具有指导意义，同时也对发展高性能电催化剂意义非凡。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种用于电催化CO2还原的双金属单原子催化剂及制备方法，本专利技术所制备的Fe/Mn
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N
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C催化剂对CO2还原不仅具有优异的转化效率和选择性，同时兼具低过电位。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种用于电催化CO2还原的双金属单原子催化剂，其特征在于：双金属单原子催化剂为Fe/Mn
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N
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C催化剂，Fe/Mn
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N
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C是被炭黑层限域的十二面体。
[0006]本专利技术制备了一种具有优异电催化CO2还原性能的电催化剂，其在低过电位下具有优异的转换效率以及CO产物选择性。上述特征有助于电催化二氧化碳还原过程中双金属单原子催化剂的深入研究。
[0007]本专利技术的另外一种技术方案是：一种用于电催化CO2还原的双金属单原子催化剂的制备方法，具体步骤为：
[0008](1)预先合成一定量的Mn@ZIF
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8；
[0009](2)通过利用甲醇和正己烷的双溶剂策略引入铁源与Mn@ZIF
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8复合获取Fe/Mn@ZIF
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8；
[0010](3)通过物理研磨将Fe/Mn@ZIF
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8与炭黑按照一定比例混合后进行煅烧，以获取目标双金属单原子分散催化剂Fe/Mn
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N
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C。
[0011]进一步的，步骤(1)中Mn@ZIF
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8的制备，具体步骤为：
[0012]第一步，将1.0
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2.0g 2
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甲基咪唑(MeIM)溶于10
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18ml甲醇中，然后将其迅速加入含1.0
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2.0g Zn(NO3)2·
6H2O和45
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60mg Mn(NO3)2·
4H2O的30ml甲醇溶液中，在室温下剧烈搅拌2h；
[0013]第二步，将溶液转移到一个100ml的内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，在120℃加热4h；所得产物离心分离后，用甲醇洗涤三次，最后60℃真空干燥过夜。
[0014]进一步的，步骤(2)中Fe/Mn@ZIF
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8的制备，具体步骤为：
[0015]第一步，将100
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120mg Mn@ZIF
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8粉末分散于12ml正己烷中，室温超声作用1h；
[0016]第二步，在上述溶液中加入Fe(NO3)3·
9H2O甲醇溶液(25mg/ml，140μL)，并且在室温条件下搅拌混合溶液1h；所得产物离心分离后，用甲醇洗涤三次，最后60℃真空干燥过夜。
[0017]进一步的，步骤(3)中Fe/Mn
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N
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C的制备，具体步骤为：
[0018]将Fe/Mn@ZIF
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8与炭黑质量比4:3研磨均匀后放置在管式炉中，在氩气气氛下，分别300℃、1000℃煅烧1h。
[0019]进一步的，所述Fe/Mn
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N
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C材料的应用，用于电催化还原CO2制备CO。
[0020]进一步的，电化学合成CO是在典型的气密H型电解池中进行，该体系采用的是三电极体系，包含工作电极、参比电极和对电极，其中工作电极为负载Fe/Mn
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N
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C的碳布，参比电极为Ag/AgCl电极，对电极为碳棒。在该电解池中，工作电极和参比电极置于阴极室，而对电极置于阳极室，阴极室与阳极室之间用质子交换膜隔开。
[0021]进一步的，所述的工作电极，其制备方法为：首先取470微升的无水乙醇和30微升的Nafion膜溶液配成溶液，将5mg制备的Fe/Mn
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N
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C粉末分散到溶液中，超声分散30min，得到分散均匀的溶液。将分散好的溶液各取50微升滴涂到碳布两面，自然晾干得到工作电极。
[0022]进一步的，其操作条件为，在H型电解池的两室中各加入25mL0.5mol/L的KHCO3溶液，工作电极、参比电极和对电极都与电化学工作站相连接，其型号为CHI 660E。随后通入流速为50mL/min的CO2气体，该过程至少持续30min，使得电解液达到饱和。接着在
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1.0V～
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1.4V的负电位下进行恒电位电解，电解至电量达到为5C。并在该过程中收集气相产物和液相产物。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0024](1)本专利技术的电催化二氧化碳还原材料具有优异的电催化二氧化碳还原效果。
[0025](2)本专利技术中引入二次碳源炭黑增加导电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电催化CO2还原的双金属单原子催化剂，其特征在于：双金属单原子催化剂为Fe/Mn
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N
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C催化剂，Fe/Mn
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N
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C是被炭黑层限域的十二面体。2.一种根据权利要求1所述的用于电催化CO2还原的双金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤为：(1)预先合成一定量的Mn@ZIF
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8；(2)通过利用甲醇和正己烷的双溶剂策略引入铁源与Mn@ZIF
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8复合获取Fe/Mn@ZIF
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8；(3)通过物理研磨将Fe/Mn@ZIF
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8与炭黑按照一定比例混合后进行煅烧，以获取目标双金属单原子分散催化剂Fe/Mn
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N
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C。3.根据权利要求2所述的一种用于电催化CO2还原的双金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中Fe/Mn
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N
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C的制备，具体步骤为：将Fe/Mn@ZIF
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8与炭黑质量比4:3研磨均匀后放置在管式炉中，在氩气气氛下，分别300℃、1000℃煅烧1h。4.根据权利要求1所述的一种用于电催化CO2还原的双金属单原子催化剂，其特征在于：所述Fe/Mn
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N
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C材料的应用，用于电催化还原CO2制备CO。5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴美凤，阮巧慧，杜笑毅，江海霞，陈芊，李倩，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：