[发明专利]规则配位的钴或铁掺杂的钴基电催化剂及其制备和用途

说明书

本发明属于催化剂材料制备领域，特别涉及一种规则配位的钴或铁掺杂钴基电催化剂及其制备方法和用途。所述电催化剂为晶体材料，属于简单立方晶系，晶胞的八个顶点为钴或同晶取代的铁，金属原子呈6配位结构，之间依靠其配体氰根相连(‑CN)，即在晶胞的每一条边上分别与C和N构成的氰基相连，晶胞参数为α＝β＝γ＝90°，晶体在介观尺度下可以通过调控呈现单分散的正立方体、截角立方体或正八面体形貌。催化剂的结晶性极佳，配位规则且单一，具有单位点活性中心，反应位点清晰明确，可以用于晶面依赖的催化活性研究。该催化剂作为氧还原、氧析出、水合肼氧化、金属‑空气电池和水合肼燃料电池的工作电极均具有极好的催化活性、稳定性。

技术领域

本发明属于催化材料制备领域，特别涉及一种规则配位的钴或铁掺杂的钴基电催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

近年来，单原子催化剂因其具有极高的催化活性，在各个领域都有广泛的应用，如电化学催化、电化学储能、光电催化等。目前已经有许多单原子催化剂的制备方法，但是存在以下几个问题：

1、制备过程较为复杂，多数需要特定加热仪器高温热解以获得较高的导电性。因此难以实现大批量制备，且制备过程能耗极高。

2、为保证单原子催化剂的单原子性，常需要酸洗，除去颗粒金属。

3、所制备的单原子催化剂结构不明确，常需要同步辐射，球差电镜等极为先进的表征手段确认金属的配位状态。

为解决上述问题，提出本发明。

发明内容

本发明首次公开了一种规则配位的钴或铁掺杂钴基电催化剂，其配位规则，具有单位点的活性中心。该催化剂作为氧还原、氧析出、水合肼氧化反应的催化剂以及金属-空气电池和水合肼燃料电池的工作电极均具有极好的催化活性、稳定性。

本发明第一方面提供一种规则配位的钴或铁掺杂钴基电催化剂，所述电催化剂为晶体，属于简单立方晶系，晶胞的八个顶点为钴或同晶取代的铁，金属原子呈6配位结构，之间依靠其配体氰根相连(-CN)，即在晶胞的每一条边上分别与C和N构成的氰基相连，晶胞参数为α＝β＝γ＝90°。

优选地，晶体在介观尺度下可以通过调控呈现单分散的正立方体、截角立方体或正八面体形貌。

优选地，所述电催化剂正立方体的边长为0.5-20微米，表面平整。

优选地，所述电催化剂中，C含量为25～26wt％，N含量为30～31wt％，余量为钴或同晶取代的铁与钴的总和。

更优选地，一种规则配位的钴基电催化剂中，碳含量为26.27wt％，氮含量为30.66wt％，钴含量为43.07wt％，正立方体的边长为5-7微米；在晶体结构不变的情况下，即各元素含量不变的情况下，截角立方体的尺寸为10-20微米，正八面体的尺寸为15-20微米。

更优选地，一种规则配位的铁掺杂钴基电催化剂中，碳含量为25.96wt％，氮含量为31.66wt％，钴含量为39.05wt％，铁含量为3.36wt％，正立方体的边长为0.5-3微米。

本发明第二方面提供一种规则配位的钴或铁掺杂钴基电催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

A、将金属盐与甲酰胺混合，得到金属盐的甲酰胺溶液，记为第一溶液；所述金属盐为钴盐，或所述金属盐为铁盐与钴盐的混合物；

B、将碱性物质与甲酰胺混合，得到其甲酰胺溶液，记为第二溶液；

C、将所述第一溶液和第二溶液混合，在一定温度下反应一段时间，固液分离，固体产物即为该电催化剂。

优选地，步骤B中，所述碱性物质选自二甲胺、三乙胺、乙二胺等常见有机弱碱，氨气、碳酸氢钠、碳酸钾、醋酸钾等常见无机弱碱，氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷、氢氧化铯、氢氧化钡等常见无机强碱中的至少一种。