【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学还原二氧化碳领域。
技术介绍
1、工业化及城市化的快速发展对传统化石燃料的消耗量与日俱增，与此同时排放的co2导致全球“温室效应”不断加剧。能源危机和环境污染的双重问题成为全球面临的重大挑战。随着全球co2捕集、存储及利用技术的不断发展，co2已被当做一种廉价碳源进行资源化转化。co2的高效利用对推动全球碳中和、缓解全球温室效应与能源危机具有重要意义。因此，寻找高效的资源化转化方法，实现产物的定向合成引发了广泛的关注。光催化转化法受限于光催化剂的使用寿命，同时产物选择性低、产量低；生物法的缺点是反应速率慢，固碳周期较长，占地面积较大。相比于光催化及生物转化法，电催化还原co2在常温常压下即可实现，且装置简单、反应速率快、产物选择性高、便于过程控制。对于电催化还原co2合成co过程，合成高效、稳定及具有co定向选择性的催化剂是当前该领域的研究重点和难点。与铁基纳米催化剂相比，单原子铁催化剂因其比表面积较大、金属反应位点分散度高、金属含量低导致成本低等优点使其成为良好催化剂的选择。然而，该类催化剂的co选择性仍然有较大的提升空间，特别是在高过电位条件下，难以在获得较高电流密度的同时维持催化剂的活性及co选择性，在高电流密度下电还原co2合成co存在法拉第效率低、选择性差的问题，从而制约了其整体效能。
技术实现思路
1、本专利技术要解决现有单原子铁催化剂在高电流密度下电还原co2合成co存在法拉第效率低、选择性差的问题，进而提供一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合
2、一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，它是按以下步骤进行的：
3、一、配制前驱液溶液：
4、①将硝酸锌和硝酸铁溶解于甲醇溶液中，得到硝酸锌/硝酸铁溶液；
5、②将2-甲基咪唑溶解于甲醇溶液中，得到2-甲基咪唑溶液；
6、二、水热反应：
7、将硝酸锌/硝酸铁溶液与2-甲基咪唑溶液混合搅拌，得到混合溶液，然后在温度为50℃～80℃的条件下，混合溶液水热反应12h～30h，得到水热产物；
8、所述的混合溶液中硝酸锌与硝酸铁的质量比为1:(0.01～0.03)；所述的混合溶液中硝酸锌与2-甲基咪唑的质量比为1:(0.5～1.5)；
9、三、产物收集：
10、将水热产物依次进行离心、洗涤及烘干，得到烘干后的粉末；
11、四、产物碳化：
12、将烘干后的粉末置于管式炉中，在氮气或氩气气氛及温度为900℃～1200℃的条件下煅烧，得到fe-n5单原子催化剂。
13、本专利技术的有益效果是：
14、1、本专利技术采用简单的水热合成法制备铁掺杂的mof前驱体，在经过高温碳化法制备单原子铁催化剂。以含铁的金属有机骨架材料(mof)为前驱体构建不同杂原子配位的铁单原子催化剂可显著提催化剂的整体催化性能。超过99％(质量分数)的碳基体为单原子铁提供了充分的分散位点，有效的提高了催化剂的分散性能。
15、2、本专利技术通过碳化氛围的改变提高了与铁配位的吡咯氮含量，不同的碳化气氛下，与铁配位的氮原子形态将发生变化，从而提高金属位点的反应周转频率，降低电荷转移内阻，抑制催化剂析氢活性，氢气法拉第效率低于20％，提高了催化剂对co2的活化能，从而显著提高了铁基单原子催化剂在高电流密度下电催化还原co2合成co的效能，在高电流密度下电还原co2合成co法拉第效率高(吡咯氮配位为主的单原子铁催化剂对二氧化碳还原产co法拉第效率高达84.1％，并在-1.0v～-1.8v范围内均保持80％以上的法拉第效率)，选择性优异。其中碳基体上的吡咯氮原子与铁原子进行配位可提高整个催化剂的co选择性。
16、3、本专利技术制备的单原子铁催化剂具有良好的运行稳定性。
17、说明书附图
18、图1为实例1制备的fe-n5单原子催化剂的扫描透射电子显微镜图；
19、图2为实例1及2制备的fe-n5单原子催化剂的xps的n分峰拟合；
20、图3为实例1及2制备的fe-n5单原子催化剂中不同类型n的含量图；
21、图4为实例1制备的fe-n5单原子催化剂在通氮气和通二氧化碳情况下测试得到的lsv图，a为在氮气条件下得到的lsv曲线，b为在二氧化碳条件下的lsv曲线；
22、图5为实例2制备的fe-n5单原子催化剂在通氮气和通二氧化碳情况下测试得到的lsv图，a为在氮气条件下得到的lsv曲线，b为在二氧化碳条件下的lsv曲线；
23、图6为实例1及2制备的fe-n5单原子催化剂在co2饱和的0.5m khco3溶液中电解1000秒产一氧化碳法拉第效率图；
24、图7为实例1及2制备的fe-n5单原子催化剂在co2饱和的0.5m khco3溶液中电解1000秒产一氧化碳的电流密度图；
25、图8为实例1及2制备的fe-n5单原子催化剂在co2饱和的0.5m khco3溶液中电解1000秒的产一氧化碳速率图；
26、图9为实例1及2制备的fe-n5单原子催化剂在co2饱和的0.5m khco3溶液中电解1000秒的产一氧化碳的催化位点反应频率图；
27、图10为实例1及2制备的fe-n5单原子催化剂在-1.4v电位下，co2饱和的0.5mkhco3溶液中的电化学交流阻抗图；
28、图11为实例1及2制备的fe-n5单原子催化剂在co2饱和的0.5m khco3溶液中电解1000秒产氢气法拉第效率图；
29、图12为实例1及2制备的fe-n5单原子催化剂在co2饱和的0.5m khco3溶液中电解1000秒的总电流密度图；
30、图13为实例1及2制备的fe-n5单原子催化剂对co2的活化能；
31、图14为实例1制备的fe-n5单原子催化剂在-1.4v电位下，co2饱和的0.5m khco3溶液中电解15小时的电流密度及一氧化碳的法拉第效率变化图。
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1.一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：
2.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤一①中所述的硝酸锌/硝酸铁溶液中硝酸锌的浓度为0.08g/mL～0.12g/mL；步骤一①中所述的硝酸锌/硝酸铁溶液中硝酸铁的浓度为0.0005g/mL～0.003g/mL。
3.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤一②中所述的2-甲基咪唑溶液中2-甲基咪唑的浓度为0.08g/mL～0.12g/mL。
4.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤三中所述的离心具体是在转速为4000r/min～6000r/min的条件下，离心2min～8min。
5.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤
6.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤三中所述的烘干具体是在温度为30℃～50℃的条件下，干燥5h～10h。
7.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤四中以升温速度为1℃/min～5℃/min将温度升温至900℃～1200℃。
8.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤四中在氮气或氩气气氛及温度为900℃～1200℃的条件下煅烧2h～6h。
9.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述的混合溶液中硝酸锌与硝酸铁的质量比为1:0.0147；所述的混合溶液中硝酸锌与2-甲基咪唑的质量比为1:1。
10.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤四中在高纯氮气气氛下，以升温速度为2℃/min将温度升温至1000℃，然后在高纯氮气气氛及温度为1000℃的条件下煅烧3h。
...【技术特征摘要】
1.一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：
2.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤一①中所述的硝酸锌/硝酸铁溶液中硝酸锌的浓度为0.08g/ml～0.12g/ml；步骤一①中所述的硝酸锌/硝酸铁溶液中硝酸铁的浓度为0.0005g/ml～0.003g/ml。
3.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤一②中所述的2-甲基咪唑溶液中2-甲基咪唑的浓度为0.08g/ml～0.12g/ml。
4.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤三中所述的离心具体是在转速为4000r/min～6000r/min的条件下，离心2min～8min。
5.根据权利要求1所述的一种用于高电流密度下电催化还原二氧化碳合成一氧化碳的铁单原子催化剂的制备方法，其特征在于步骤三中所述的洗涤具体是利用甲醇清洗。
6.根据权利要求1所述的一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：李达，冯玉杰，陈新懿，李骁宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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