[发明专利]一种铁镍金属单原子电解水催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种FeNi金属单原子电解水催化剂及其制备方法、电解水制氢，属于金属单原子催化技术领域。本发明的金属空气电池用双金属位点的单原子催化剂的制备方法包括如下步骤：1)将铁镍双金属有机框架化合物和盐酸多巴胺加入碱性溶液中，搅拌5h，固液分离，得到MOF/PDA纳米立方块；所述碱性溶液为tris碱；2)将步骤1)制得的MOF/PDA纳米立方块在氨气气氛下退火处理；3)将2)中所得产物在一定硝酸浓度的水溶液中进行刻蚀；4)将3)中所得固体样品在800℃氮气氛围下退火，即得。采用本发明的金属单原子催化剂采用双金属位点的单原子催化剂的制备方法制得的的金属空气电池，具有比同类催化剂的催化效率更高，生产效率更高，成本更低，重现性好。

技术领域

本发明涉及一种FeNi金属单原子电解水催化剂及其制备方法、金属空气电池，属于金属单原子催化技术领域。

背景技术

能源一直是人类社会活动的主要资源，而化石能源一直是人类使用的主要能源。但其消耗速度随着人类的发展变得越来越快，特别是其储存量即将在未来几世纪内消耗殆尽，同时化石能源的使用也会不可避免地带来环境污染。所以寻找一个可以代替的持续清洁型能源成为了首要任务。由于氢气在燃烧的过程可以放出巨大的能量而且产物是无毒无害的水。因此，氢气被认为一种可持续清洁能源。从现有的科学技术发展角度来说，电化学催化分解水制氢是制备氢气较理想的一种途径。可是在电解水的过程中，往往需要活性较高的析氢催化剂，使析氢电化学反应能在较低的过电势的条件下产生大的电流。目前使用的析氢催化剂主要是贵金属材料如铂，它们在析氢反应过程中可以在很低的过电位条件下提供优异的反应动力学行为。但是由于铂催化剂较为高昂的成本在很大程度上限制了其在工业生产上大规模应用。因此，开发价格低廉但同时兼具较高催化性能的析氢催化剂成了当前发展的重中之重。

为了解决上述问题，现有技术中发展了包括过掺杂渡金属及其氧化物，氮化物、碳材料及其耦合复合材料等作为催化剂，这些材料兼具成本低、高催化效率等特点。由于过渡金属单原子催化剂具有较高的活性、较为出色的选择性，在催化体系中具有广阔的应用前景，而且单原子催化剂活性中心的不饱和配位键也有助于提高材料的催化性能，其电子结构能很大限度地提高原子利用率。

许多过渡金属的单原子催化剂已经被广泛应用于析氢反应，但是，其通常存在如稳定性较差，反应活性较低等问题。因此制备一种催化活性高，制备过程简单，价格低廉的HER催化剂具有很重要的现实意义。

发明内容

本发明提供一种铁镍金属单原子电解水催化剂的制备方法，以解决现有技术中过渡金属单原子催化剂在HER反应中活性不高的问题。

本发明还提供了一种上述方法制得的金属空气电池用双金属位点的单原子催化剂，该催化剂具有较高的HER活性和OER活性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种FeNi金属单原子电解水催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)将铁双金属有机框架化合物和盐酸多巴胺加入碱性溶液中，搅拌5h，经抽滤，得到 MOF/PDA纳米立方块；所述碱性溶液为Tris碱缓冲溶液；

2)将步骤1)制得的MOF/PDA纳米立方块在氨气气氛下退火处理，即得。

3)将步骤2)所得的制得的FeNi-NP/NC在5mol/L的硝酸溶液中刻蚀5h，后抽滤可分离得到FeNi-SAs/NC。

4)将所得产物在800℃氮气条件下退火处理，即可得到最终产物

本发明的FeNi单原子电解水催化剂采用铁镍双金属有机框架化合物与多巴胺类单体在碱性环境中进行反应，然后将纳米立方块在氨气气氛中进行退火，在碳纳米立方块中，铁镍金属纳米颗粒镶嵌在其中，使催化剂表现出良好氧析出(OER)以及氢析出(HER)催化活性。