一种Ni单原子催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Ni单原子催化剂，该催化剂以孔径为120

【技术实现步骤摘要】
一种Ni单原子催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电化学催化剂纳米材料制备
，具体涉及一种Ni单原子催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]利用可再生电力能源将CO2转化为有附加值的化工产品，不仅可以有效减少温室气体排放改善环境，而且可以减轻能源危机问题。在近几十年来，电化学CO2还原因其反应条件温和(常温常压)、产物可控等优势受到了大家的广泛关注。电化学还原CO2制备CO有着选择性高、电流密度大等优点，有着良好的工业应用前景，然而，目前研究广泛的产CO电化学催化剂基本为贵金属及其相关合金，例如Ag、Au、Pd等，价格昂贵、经济性差，因此，开发环保、价格低廉且高效的产CO电化学催化剂尤为重要。
[0003]近年来，Ni单原子催化剂因其价格低廉、催化活性高、原子利用率大的特点，备受关注，有学者将Ni单原子催化剂用于电化学还原CO2制备CO，并获得了较高的选择性。但是，现有研究基本将Ni单原子催化剂负载于几十纳米孔径的碳材料基底上，该孔隙结构不利于CO2局部传输，降低催化活性位点附近的CO2浓度，同时Ni单原子催化剂制备流程复杂，稳定性较差。例如文献1[Yang H,et al.Nature communications,2019,10(1):1
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9]提出通过热解醋酸镍、菲罗啉及商业炭黑，将Ni单原子催化剂负载与炭黑上，并在
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0.8到
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1.4V vs.RHE间获得了接近100％的CO法拉第效率。该催化剂的工作电流密度较低，同时在24小时的持续性工作后性能出现衰减，稳定性较差。文献2[Zheng T,et al.Joule,2019,3(1):265
‑
278.]提出利用商业炭黑大规模合成Ni单原子催化剂，并在低于2.8V的槽电压下获得了100mA/cm2的大电流密度及接近100％的CO法拉第效率。该催化剂的CO的法拉第效率较好，但在相同电流密度下的槽电压较高，能量效率较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的主要目的在于提供一种Ni单原子催化剂，该Ni单原子催化剂主要用于CO2电还原高效产CO，旨在解决点现有Ni单原子催化剂生产流程复杂、工作电流密度低，稳定性差和/或能源效率低的问题。本专利技术还提供了该Ni单原子催化剂的制备方法和应用。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]第一方面：
[0007]一种Ni单原子催化剂，所述催化剂以孔径为120
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180nm的中空多孔纳米碳壳为碳基底，金属镍以单原子形式锚定在中空多孔纳米碳壳的表面。
[0008]进一步，其中所述中空多孔纳米碳壳的比表面积为300
‑
500m2/g。
[0009]一种根据上述Ni单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0010]1)将柠檬酸钠置于惰性气体中进行高温热解，对高温热解得到的固体粉末进行除杂、干燥，即得所述中空多孔纳米碳壳；
[0011]2)将中空多孔纳米碳壳、镍盐、1,10
‑
菲罗啉分散到无水溶剂中，室温下搅拌均匀后，加热反应，随后干燥，得粉体；
[0012]3)将步骤2)所得的粉体置于惰性气体中进行高温热解，随后将经过高温热解的粉体进行除杂，干燥，得固体粉末。
[0013]4)将所得的固体粉末与无机氮源充分混合均匀后，置于瓷方舟中高温热解，再对高温热解后的固体粉末进行清洗、除杂、干燥，即得Ni单原子催化剂。
[0014]在本专利技术的一种实施方式中，步骤1)中所述的高温热解温度为600
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1200℃，所述高温热解时间为2
‑
5h，所述高温热解升温速率为1
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5℃/min。
[0015]在本专利技术的一种实施方式中，步骤1)中所述的高温热解温度为900℃，所述高温热解时间为3h，所述高温热解升温速率为1℃/min。
[0016]在本专利技术的一种实施方式中，步骤3)中的所述的高温热解温度为300
‑
800℃，所述高温热解时间为1
‑
3h，所述高温热解升温速率为5
‑
15℃/min。
[0017]在本专利技术的一种实施方式中，步骤3)中的所述的高温热解温度为600℃，所述高温热解时间为2h，所述高温热解升温速率为10℃/min。
[0018]在本专利技术的一种实施方式中，步骤4)中的所述的高温热解温度为500
‑
1000℃，所述高温热解时间为0.5
‑
2h，所述高温热解升温速率为2
‑
8℃/min。
[0019]在本专利技术的一种实施方式中，步骤4)中的所述的高温热解温度为800℃，所述高温热解时间为1h，所述高温热解升温速率为5℃/min。
[0020]在本专利技术的一个实施方式中，所述中空多孔纳米碳壳、镍盐、1,10
‑
菲罗啉的质量比为(3
‑
8):1：(1
‑
5)。
[0021]在本专利技术的一个实施方式中，步骤5)中，所述固体粉末与无机氮源的质量比为1:(3
‑
15)。
[0022]一种上述Ni单原子催化剂应用于催化还原CO2生成CO化合物。
[0023]在本专利技术的一个实施方式中，将所述Ni单原子催化剂、全氟磺酸树脂Nafion溶液分散于无水乙醇中充分混合均匀后，将Ni单原子催化剂浆料喷涂至带有微孔层的疏水碳纸上制备成气体扩散电极。
[0024]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下优点：
[0025]本专利技术所述的Ni单原子催化剂，其碳基底材料采用中空多孔纳米碳壳，其具有直径为120
‑
180nm的大孔结构，且其孔隙率高，比表面积大，内部孔隙结构连通度高，而该孔径大小的中空多孔纳米碳壳作为碳基底，能够在保证充足的反应活性面积的同时有效减少CO2分子与碳基底壁面之间的碰撞，进而增加CO2分子在催化层内的有效扩散系数，最终提高活性位点表面的CO2分子浓度并提高催化剂活性及电流密度；而金属镍以单原子形式锚定在该中空多孔纳米碳壳形成Ni单原子催化剂，可以有效促进催化层内的物质传输、拓展三相反应界面，用于电化学CO2还原产CO具有催化活性高，CO产物选择性高以及材料稳定性好等特点。
[0026]本专利技术所提供的Ni单原子催化剂的制备方法，具有制备方法简单，原料来源广泛，价格低廉，适用于大规模生产和工业化应用。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0028]图1为本专利技术所提供的Ni单原子催化剂的制备方法的工艺流程图；
[0029]图2为本专利技术所提供的Ni单原子催化剂的扫描电镜图；
[0030]图3为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ni单原子催化剂，其特征在于，所述催化剂以孔径为120
‑
180nm的中空多孔纳米碳壳为碳基底，金属镍以单原子形式锚定在中空多孔纳米碳壳的表面。2.根据权利要求1所述的Ni单原子催化剂，其特征在于，所述中空多孔纳米碳壳的比表面积为300
‑
500m2/g。3.一种根据权利要求1所述的Ni单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将柠檬酸盐置于惰性气体中进行高温热解，对高温热解得到的粉末进行除杂、干燥，即得所述中空多孔纳米碳壳；2)将中空多孔纳米碳壳、镍盐、1,10
‑
菲罗啉分散到无水溶剂中，室温下搅拌均匀后，加热反应，随后干燥，得粉体；3)将步骤2)所得的粉体置于惰性气体中进行高温热解，随后将经过高温热解的粉体进行除杂，干燥，得固体粉末；4)将所得的固体粉末与无机氮源充分混合均匀后，置于瓷方舟中高温热解，再对高温热解后的固体粉末进行清洗、除杂、干燥，即得Ni单原子催化剂。4.根据权利要求3所述的Ni单原子催化剂制备方法，其特征在于，步骤1)中所述的高温热解温度为600
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1200℃，所述高温热解时间为2
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5h，所述高温热解升温速率为1
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5℃/min。5.根据权利要求3所述的Ni单原子催化剂制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：付乾，廖强，岳朋涛，张亮，李俊，朱恂，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：