[发明专利]一种简单制备镍原子簇析氧催化剂的方法

说明书

本发明公开了一种简单制备镍原子簇析氧催化剂的方法，是以乙酰丙酮镍作为前驱体，多壁碳纳米管(MWCNTs)为载体，通过低温气体迁移法反应制得，具体为：将乙酰丙酮镍和MWCNTs粉末分别放入石英试管中，插入管式炉石英管中，氩气保护下，先在100℃下预热烘干水分，然后将整个系统以3℃/min的速度加热至300℃，保温6小时；其中乙酰丙酮镍粉末在上游放置，MWCNTs粉末在下游放置。本发明的方法能有效降低原子簇催化剂的生产成本，合成过程十分简单、易控制，产品均匀性高、产量大、重复性好，且制得的催化剂活性好，可媲美贵金属催化剂，具有极佳的前景。

技术领域

本发明属于单原子催化剂技术领域，涉及一种镍原子簇析氧催化剂材料及其制备方法，尤其涉及一种简单制备镍原子簇析氧催化剂的方法，在多壁碳纳米管锚定镍原子簇。

背景技术

自2011年大连化物所的张涛院士及其同事首次提出单原子催化剂的概念以来，单原子催化剂得益于其百分之百的理论原子利用率、独特的配位结构和电子性质，以及相对统一的活性位点，在小分子活化转化、有机催化、电催化等系列重要催化反应中展现出优异的活性、选择性和稳定性。然而，单金属单原子催化剂缺乏金属原子之间的协同效应，对多步骤、多电子转移的反应适用性较低。因此，有必要开发低核原子簇催化剂，实现高原子利用率的同时增加金属原子之间的协同效应，进一步提升原子级催化剂的性能。

目前，已经报道的低核原子簇催化剂制备方法，包括尺寸选择法、原子层沉积法以及前驱体预选协同热解法。但尺寸选择法和原子层沉积法的前驱体和设备昂贵、制备速度缓慢、产量低；前驱体预选协同热解法需要昂贵的有机配体以及高温热处理，对环境不友好。因此，这类方法仍存在明显不足，难以大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种简单制备镍原子簇析氧催化剂的方法。该方法十分简单，可以在管式炉中进行大批量制备，在多壁碳纳米管锚定镍原子簇获得析氧催化剂。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种简单制备镍原子簇析氧催化剂的方法，是用低沸点的乙酰丙酮金属作为前驱体，多壁碳纳米管(MWCNTs)为载体，通过低温气体迁移法反应制得镍原子簇析氧催化剂；该方法成本低、易控制、均匀性高、产量大、重复性好且产物催化活性好。

具体包括以下步骤：

多壁碳纳米管锚定镍原子簇催化剂(Ni-MWCNTs)的制备

首先，将乙酰丙酮镍(沸点:220～235℃)和MWCNTs粉末(二者质量比优选为2:1)分别放入石英试管中。然后将其插入管式炉石英管中，预热烘干水分(通常在100℃下预热120分钟)，其中乙酰丙酮镍粉末在上游放置，MWCNTs粉末在下游放置。低温热处理过程中(优选的，整个系统以3℃/min的速度加热至300℃，保温6小时。过低的温度和过短的时间不利于乙酰丙酮镍气化迁移沉积，过高的温度不利于乙酰丙酮镍和MWCNTs充分反应，过长的热处理时间则浪费电能)上游的有机金属前驱体会气化迁移到下游的MWCNTs附近，被MWCNTs表面的缺陷锚定。整个过程是在惰性氩气保护下进行的。自然冷却至室温后，将得到的黑色样品(标记为Ni-MWCNTs)取出作为电催化剂使用，无需任何后续处理。

本发明采用低温气体迁移法制备的多壁碳纳米管锚定镍原子簇催化剂，无需高温或酸处理，利用碳纳米管上的缺陷锚定镍原子簇，实现其均匀分布，通过电感耦合等离子体质谱测得Ni原子质量含量在0.46％左右。本发明制备的多壁碳纳米管锚定镍原子簇催化剂应用于电化学分解水析氧，获得了非常优异的电催化性能，在碱性条件下电催化析氧性能超过商业氧化钌，单位时间单位位点转换化率(TOF)达到氧化钌的179倍。该方法具有操作简单、价格低廉、设备简单且产量大的特点，是一种快速、简单制备低核原子簇催化剂的方法。

附图说明