[发明专利]一种M-N-C单原子催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明涉及纳米催化材料领域，特别涉及一种M‑N‑C单原子催化剂的制备方法及应用。本发明采用金属或金属氧化物与甘脲球磨，得均匀混合物，然后经过预处理步骤，高温热解碳化步骤，最后去除模板干燥得到。采用该制备方法得到的催化剂具有高度均一性，且含单原子位点，单原子位点倾向于分布在电催化剂表面，表现出优秀的氧还原电催化活性。

技术领域

本发明涉及纳米催化材料领域，特别涉及一种M-N-C单原子催化剂的制备方法及应用。

背景技术

随着化石能源不断被消耗，环境问题日益突出，发展诸如燃料电池，金属-空气电池等高效清洁的电化学能源技术逐渐成为实现人类社会可持续发展的重要方向。而在这些技术中，电催化剂扮演着极为重要的角色，其性能高低直接影响着相应装置效率的高低。另一方面，目前燃料电池的商用催化剂是铂基催化剂，而金属铂储量有限，难以实现大规模商用。因此，开发低价高效的非贵金属催化剂是一个重要的研究方向。

将金属颗粒的尺寸逐级降低，可以得到不同的电子结构，产生不同的催化性能。2009年大连化物所张涛院士研究发现单原子分散的Pt1/FeOx催化剂具有优异的CO氧化活性，引起了对单原子催化剂研究的热潮。研究发现，过渡金属单原子可以与碳骨架中的掺杂氮配位而稳定形成形如Metal-Nx的活性物种，简写为M-N-C。这种金属单原子位点的优点在于：1)优秀的催化活性与选择性；2)明确且易于调节的结构，利于研究机理。因此，这类M-N-C催化剂有着良好的研究与应用前景。

然而，由于M-N-C催化剂在制备时通常会经过高温处理，因此其在微观结构上有较大的不确定性，其问题主要在于：1)金属的高表面能使其在处理过程中容易团聚，形成颗粒；2)不易明确的前驱体和产物催化剂的构效关系，导致形成的催化剂位点不一定均一，催化剂的表面不一定全部分布有有效位点；3)形成的单原子位点容易深埋在碳骨架中，得不到充分的利用。鉴于此，发展新型有效的M-N-C催化剂制备方法十分必要。

发明内容

本发明旨在提供一种M-N-C单原子催化剂的制备方法，以金属或金属氧化物粉末作为为模板及金属源，利用含氮有机物甘脲在金属表面的沉积碳化，得到镶嵌有相应金属单原子配位点的氮掺杂碳纳米片材料的方法。同时还提供了一种该催化剂在电催化氧还原反应中的应用。

为了实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案：

一种M-N-C单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1.将金属或金属氧化物与甘脲球磨，得混合物；

步骤2.将步骤1所得混合物200℃-400℃，5％H₂/N₂混合气中进行预处理；

步骤3.将步骤2中气氛切换为N₂，700℃-1000℃下对混合物进行高温热解碳化，并在室温下自然冷却；

步骤4.将步骤3中得到的产物去除模板，干燥，得到M-N-C金属单原子催化剂。

优选的，所述步骤1所述的金属或金属氧化物中的金属选自Cu，Ni中的至少一种。

优选的，步骤1所述的金属或金属氧化物选自铜粉，镍粉，氧化铜，氧化镍中的至少一种。

优选的，所述的步骤1所述的加入的金属或金属氧化物的质量/甘脲的质量为1∶(0.4-1.5)。

优选的，所述步骤2升温至200℃-400℃的升温速率为1-5℃/min。

优选的，所述步骤3升温至700℃-1000℃的升温速率为1-10℃/min。

前述任一项所述的制备方法所制备得到的M-N-C催化剂在电催化氧还原反应中的应用。