一种镁单原子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镁单原子催化剂及其制备方法与应用。所述镁单原子催化剂包括空心碳球及均匀分布于空心碳球表面的镁原子，所述空心碳球的直径为300～500nm。本发明专利技术提供的镁单原子催化剂在碱性条件下具有优异的ORR电催化活性和稳定性，可作为性能优异的碱性ORR电催化剂，并且具有与20％Pt/C相媲美的优异的ORR电催化剂性能；同时该催化剂在循环使用后仍具有优异的电催化稳定性和结构稳定性。有优异的电催化稳定性和结构稳定性。有优异的电催化稳定性和结构稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种镁单原子催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于新材料制备以及电化学催化领域，涉及一种镁单原子催化剂及其制备方法与应用，尤其涉及一种镁单原子催化剂及其制备方与该镁单原子催化剂在碱性条件下将氧气还原生成水中的应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池技术是一种直接将燃料的化学能转化为电能的技术，具有能源转化效率高、对环境友好等特点，有望取代传统的火力发电。电催化氧还原(oxygen reduction reaction，ORR)是燃料电池中重要的阴极半反应，然而，ORR在动力学上较为缓慢，需要高效的氧还原电催化剂来降低反应能垒，从而加速ORR的进行。
[0003]经过几十年的努力，人们发展出大量高效且稳定铂基ORR电催化剂，然而由于金属铂属于贵金属，这就使得其作为ORR电催化剂的使用成本居高不下。由于非贵金属在地壳中的储量丰富，价格低廉，因此开发高效的非贵金属基ORR电催化剂具有重要的大规模应用意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种镁单原子催化剂及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
[0005]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0006]本专利技术实施例提供了一种镁单原子催化剂，其包括空心碳球及均匀分布于空心碳球表面的镁原子，所述空心碳球的直径为300～500nm。
[0007]本专利技术实施例还提供了前述的镁单原子催化剂的制备方法，其包括：
[0008]使包含硅源、盐酸多巴胺和溶剂的第一混合反应体系搅拌反应，再经退火处理，制得碳包覆二氧化硅实心球；
[0009]将所述碳包覆二氧化硅实心球进行碱洗处理，制得空心碳球；
[0010]以及，使包含镁盐、所述空心碳球和水的第二混合反应搅拌反应，之后经低温退火、高温退火处理，制得镁单原子催化剂。
[0011]本专利技术实施例还提供了前述的镁单原子催化剂作为电催化剂在碱性条件下将氧气还原为水中的应用
[0012]本专利技术实施例还提供了一种用于碱性条件下将氧气还原为水的反应中的电催化剂，所述电催化剂包括前述的镁单原子催化剂。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供的镁单原子催化剂在碱性条件下具有优异的ORR电催化活性和稳定性，可作为性能优异的碱性ORR电催化剂，并且具有与20％Pt/C相媲美的优异的ORR电催化剂性能；同时该催化剂在循环使用后仍具有优异的电催化稳定性和结构稳定性。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1是本专利技术实施例1中制得的镁单原子催化剂的粉末XRD图；
[0016]图2是本专利技术实施例1中制备的镁单原子的高分辨透射电镜(TEM)颗粒形貌图；
[0017]图3是本专利技术实施例1中制备的镁单原子的扫描电镜(SEM)图；
[0018]图4是本专利技术实施例1中制得的镁单原子催化剂以及商业20％Pt/C的线性扫描伏安(LSV)曲线图。
具体实施方式
[0019]鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0020]具体的，作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的一种镁单原子催化剂包括：空心碳球及均匀分布于空心碳球表面的镁原子，所述空心碳球的尺寸为300～500nm。
[0021]在一些优选实施方案中，所述镁单原子催化剂中镁原子的质量分数为0.1～20％。
[0022]本专利技术实施例的另一个方面还提供了前述的镁单原子催化剂的制备方法，其包括：
[0023]使包含硅源、盐酸多巴胺(DHC)和溶剂的第一混合反应体系搅拌反应，再经退火处理，制得碳包覆二氧化硅实心球；
[0024]将所述碳包覆二氧化硅实心球进行碱洗处理，制得空心碳球；
[0025]以及，使包含镁盐、所述空心碳球和水的第二混合反应搅拌反应，之后经低温退火、高温退火处理，制得镁单原子催化剂。
[0026]在一些优选实施方案中，所述制备方法具体包括：将硅源与溶剂混合，并调节所获混合溶液的pH值为9.0～10.0，加入DHC形成所述第一混合反应体系，之后于0～30℃搅拌反应24～48h，再经离心、洗涤、干燥、退火处理，制得所述碳包覆二氧化硅实心球。
[0027]进一步地，所述搅拌反应的温度为25℃，时间为48h。
[0028]进一步地，所述硅源包括TEOS，且不限于此。
[0029]进一步地，所述溶剂为无水乙醇与水的混合溶液。
[0030]更进一步地，所述无水乙醇与水的体积比为3∶10～2∶5。
[0031]进一步地，调节所获混合溶液的采用的试剂包括氨水，且不限于此。
[0032]进一步地，所述退火处理的温度为600～1000℃，时间为1～4h。
[0033]在一些优选实施方案中，所述镁盐包括氯化镁、氯化镁水合物、硝酸镁、硝酸镁水合物中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
[0034]在一些优选实施方案中，所述低温退火处理的温度低于镁盐的分解温度。
[0035]在一些优选实施方案中，所述低温退火处理的温度为100～300℃，时间为1～4h。
[0036]进一步地，所述低温退火处理的温度为150℃，时间为2h。
[0037]在一些优选实施方案中，所述高温退火处理的温度为600～1000℃，时间为1～4h。
[0038]进一步地，所述高温退火处理的温度为900℃，时间为2h。
[0039]本专利技术实施例的另一个方面还提供了前述的镁单原子催化剂作为电催化剂在碱性条件下将氧气还原为水中的应用。
[0040]进一步地，所述镁单原子催化剂的起始电位为0.98～1.03V，半波电位为0.86～0.88V。
[0041]更进一步地，在所述将氧气还原为水的反应中，所述镁单原子催化剂的起始电位为1.0V，半波电位为0.88V。
[0042]进一步地，所述将氧气还原为水的反应中的pH值为10～11。
[0043]本专利技术的镁单原子催化剂的空心碳球具有疏松多孔的结构，这有利于氧气的扩散，同时镁原子所处的富氮环境以及空心碳球独特的空心结构有利于氧气还原到水的动力学。
[0044]在一些更为具体地实施方案中，所述镁单原子催化剂的制备方法包括：
[0045]将一定量的TEOS溶解在无水乙醇和去离子水的混合溶液中，然后加入一定量的氨水调节pH 9<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镁单原子催化剂，其特征在于包括：空心碳球及均匀分布于空心碳球表面的镁原子，所述空心碳球的直径为300～500nm。2.根据权利要求1所述的镁单原子催化剂，其特征在于：所述镁单原子催化剂中镁原子的质量分数为0.1～20％。3.权利要求1或2所述的镁单原子催化剂的制备方法，其特征在于包括：使包含硅源、盐酸多巴胺和溶剂的第一混合反应体系搅拌反应，再经退火处理，制得碳包覆二氧化硅实心球；将所述碳包覆二氧化硅实心球进行碱洗处理，制得空心碳球；以及，使包含镁盐、所述空心碳球和水的第二混合反应搅拌反应，之后经低温退火、高温退火处理，制得镁单原子催化剂。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于具体包括：将硅源与溶剂混合，并调节所获混合溶液的pH值为9.0～10.0，加入盐酸多巴胺形成所述第一混合反应体系，之后于0～30℃搅拌反应24～48h，再经离心、洗涤、干燥、退火处理，制得所述碳包覆二氧化硅实心球。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述硅源包括TEOS；和/或，所述溶剂为无水乙醇与水的混合溶液；优选的，所述无水乙醇与水的体积比为3∶10～2∶5；和/或，调节所获混合溶液的采用的试剂包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：林贻超，唐玉龙，张秋菊，陈亮，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：