[发明专利]一种碳基单原子电催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及一种碳基单原子电催化剂的制备方法。其制备方法：1）将固体有机物、碳酸钠与金属或金属盐充分混合；2）将混合物置于预升温的加热反应器中，在惰性或还原性气氛保护下进行快速热处理，然后在相同气氛保护下冷却到室温，得到固体产物；3）将上述固体产物洗涤、过滤、干燥得到碳基单原子电催化剂。本发明具有工艺和设备简单，能耗低，后处理简单等优点，易于碳基单原子电催化剂的规模化生产。再者，由于快速热解产生的瞬时高内压环境本征抑制金属原子团聚，可以有效提升金属原子负载量；同时，本发明可以同时引入多种活性中心，这些技术优势有利于提高碳基单原子电催化剂的催化活性。因此该类型的材料在催化领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种碳基单原子电催化剂的制备方法，属于化学合成技术领域。

背景技术

电化学能源存储与转化技术是一种低碳、绿色、安全、高效的技术，可能在实现“碳达峰、碳中和”战略目标中起到重要作用。金属-空气电池和燃料电池具有超高理论能量密度，这使需具有长程续航能力的设备如电动汽车等的实现成为可能（Chem. Soc. Rev.2012, 41, 2172-2192）；二氧化碳的高效电还原不仅可以降低温室效应，同时高附加值化学品的产生也进一步缓解能源危机（Chem. Soc. Rev., 2020, 49, 6632-6665）。然而，现阶段要实现这些技术的实际应用，仍面临巨大挑战。其中，制约其发展的关键性难题之一是如何实现高效电催化剂的开发与利用。目前，常用的电催化剂为贵金属材料。这类材料对相关电化学过程如氧气还原反应、氧气析出反应和二氧化碳电还原反应等具有较高的催化活性。但是，在反应过程中，一般只有表面原子发挥作用，内部原子对催化作用贡献很少。高昂的价格和较低的原子利用率严重限制了其商业化应用。开发高效电催化剂并显著提高其原子利用率迫在眉睫。

碳基单原子催化剂是指单个金属原子嵌入碳载体中形成的高度分散的碳基金属催化剂。由于碳基单原子催化剂中金属原子以单个原子形式存在，可以最大程度的暴露活性位点，原子利用率接近100%。目前已有文章报导碳基单原子催化剂对氧气还原反应、氧气析出反应和二氧化碳还原反应等反应具有明显的电催化活性（ACS Energy Lett. 2021,6, 2, 379-386；Adv. Mater. 2020, 32, 2003134；Nat. Energy 2018, 3, 140-147）。这些进展充分说明了碳基单原子催化剂在电化学能源存储与转化领域应用的巨大潜力，开发碳基单原子催化剂具有重要的科学与技术意义。

目前，常用的制备碳基单原子催化剂的方法为湿法化学法、热解法和物理、化学气相沉积法。湿法化学法一般是非原位方法，首先通过浸渍、共沉淀等手段将金属前驱体负载到载体上，然后进一步热还原得到相应碳基单原子催化剂（Energy Environ. Science2018, 11, 893-903）。由于载体对金属前驱体的吸附能力有限，使得这类方法金属的负载量一般较低，常规表征较为困难。热解法是将金属前驱体和含碳前驱体通过高温热处理方式制备碳基单原子催化剂。常用的含碳前驱体为MOF 材料（Angew. Chem. Int. Ed. 2021,60, 7607-7611）。MOF材料一般制备比较复杂且价格相对较高，不利于大规模生产。物理气相沉积主要采用原子层沉积技术，这类方法可以在基底表面均匀沉积金属原子（J. Am.Chem. Soc. 2015, 137, 10484-10487）。生长速度慢和前驱体成本高等特点使其很难实现量产。化学气相沉积是一种原位制备碳基单原子催化剂的常用技术。较低的产量和牺牲模板的使用也限制了该法的商业化应用（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 14031-14035）。因此，探寻新的制备碳基单原子催化剂的技术，同时实现碳基单原子催化剂的高负载和高产量意义重大。本发明旨在开发一种新方法可以本征抑制金属原子团聚促进碳基单原子催化剂形成。

发明内容