[发明专利]一种负载Fe单原子的电化学催化剂及其制备方法、应用

说明书

本发明涉及电化学催化剂领域，公开了一种负载Fe单原子的电化学催化剂及其制备方法、应用。本发明所述催化剂为Fe₁‑N‑C，包括氮掺杂的碳构成的咪唑结构单元和掺杂氮原子锚定的Fe单原子；所述催化剂为若干个咪唑结构单元构成的正十二面体结构单体，所述正十二面体结构单体表面氮原子锚定Fe单原子，且每个Fe原子与4个N原子结合，通过水热法制备得到，应用于硝酸根电催化还原为氨。本发明制备的Fe₁‑N‑C在硝酸根离子电化学还原中具有较高的催化活性和持久性，并且具有较好的选择性，有利于硝酸根还原反应速率的精细调控；并且制备方法简单，能够适应生产；能够还原水体中的硝酸根离子，有利于水体污染的防治。

技术领域

本发明涉及电化学催化剂领域，尤其涉及一种负载Fe单原子的电化学催化剂及其制备方法、应用。

背景技术

将硝酸盐转化为氨的基本动机是开发一种可持续的途径，使氮营养/燃料能够从废水中以清洁的水生产中回收。因此，人们可以期望废水和土壤中的氮不再是环境负担，而是作为肥料循环利用的一种资源。这一过程类似于微生物异化硝态氮还原为铵态氮的过程，对陆地和海洋氮循环的可持续性起着重要作用。原则上，在碱性电导率下，硝酸酯比氮更容易被还原为氨，具有有利的热力学势(0.69 V vs. RHE)，而电化学硝酸根还原反应(NitRR)涉及8个电子和9个质子的转移，整体动力学速率较低。当前电化学硝酸根还原反应的反应速率仍旧较低，硝酸根还原反应的产物复杂，可能包括NO₂^-、N₂和NH₃，选择性不高。

公开号CN112237927A，公开了一种电催化还原硝酸盐的催化剂制备方法，包括如下步骤：以泡沫镍为衬底，在泡沫镍的表面形成镍氧化层，得到复合物；采用三氯化钌溶液，对复合物采用电化学循环伏安法沉积钌纳米颗粒，得到Ni-RμL复合催化剂。但是RμL是一种贵金属，催化剂制备成本较高。

公开号CN111313040A，公开了一种Fe-N-C催化剂及其制备和应用，所述方法是将Fe原子通过基团锚定的方式修饰在金属有机骨架外表面，得到的前驱体在惰性气氛下热处理进行碳化，生成的Fe-N-C材料活性位充分暴露于外表面介孔中，在酸性和碱性电解质中具有高电催化氧还原活性，主要用于电池中。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种负载Fe单原子的电化学催化剂及其制备方法、应用。本发明的催化剂Fe₁-N-C在硝酸根离子电化学还原中具有较高的催化活性和持久性，并且具有较好的选择性。

本发明的具体技术方案为：一种负载Fe单原子的电化学催化剂，所述催化剂为Fe₁-N-C，包括氮掺杂的碳构成的咪唑结构单元和掺杂氮原子锚定的Fe单原子；所述催化剂为若干个咪唑结构单元构成的正十二面体结构单体，所述正十二面体结构单体表面掺杂氮原子锚定Fe单原子，且每个Fe原子与4个N原子结合。

本发明提出了一种负载Fe单原子的电化学催化剂Fe₁-N-C，其中N是提供孤电子给铁的空轨道，C就是一个碳材料包覆的咪唑结构，Fe₁-N-C能够可以改变硝酸还原中的硝酸根的吸附构型，具有较高的原子利用率，Fe₁-N-C独特的电子结构，每个Fe与4个N原子结合，具有较大的比表面积，同时以单一Fe金属原子作为中心，单原子催化剂中活性位点的电子，与底物电子相互作用，使得底物反应活化能降低，具备更高的电催化活性。Fe在与N结合的过程中，电子从2p轨道到3d轨道跃迁的后处于一个高的氧化态，需要较大的激发能，对此制备获得的Fe单原子催化剂电阻率大，对电压变化不敏感，有利于硝酸根还原反应速率的精细调控。

作为优选，催化剂粒径小于500nm；所述催化剂具有多孔结构。