[发明专利]一种稀土金属和过渡金属共掺杂碳基材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种稀土金属和过渡金属共掺杂碳基材料的制备方法及其应用，称取适量多孔碳、过渡金属前驱体和稀土金属前驱体，加入去离子水和乙醇，超声处理30min后，得到混合液A；随后将混合液A加入到有机配体溶液中，室温搅拌3‑5h；离心，洗涤，烘干；将得到的粉末放入到管式炉中热处理，得到的黑色粉末进行酸洗处理，随后抽滤，水洗至滤液呈中性，干燥后得到过渡金属和稀土金属共掺杂碳基材料。本发明制备的碳基材料具有丰富的孔结构和优异的一氧化碳选择性，其法拉第效率最高可达99％，电流密度最大可达到97mA/cm²，电化学性能优异。

技术领域

本发明属于无机纳米材料及电化学领域，涉及一种碳基材料，具体涉及一种稀土金属和过渡金属共掺杂碳基材料的制备方法及其应用。

背景技术

近年来，化石燃料的过度使用导致大气中二氧化碳(CO₂)的浓度不断升高。目前，CO₂的大气浓度已达到413ppm，这远高于人类社会稳定发展的安全水平(350ppm)。过量的二氧化碳导致全球平均气温升高，并引发气候异常等严重问题。因此，二氧化碳问题已引起世界各国的高度重视。其中，中国力争到2030年到达CO₂排放峰值。

经过多年努力，已发展多种技术来转化利用CO₂，如热催化、光催化和电催化等。在各种方法中，电催化还原CO₂(CO₂RR)技术不仅可以在常温常压下进行，反应条件温和可控，而且还可以利用由可再生能源转化的电能，将这些间歇性能源以化学能的形式存储起来。因此，该技术成为未来解决CO₂问题的重要途径。然而，CO₂分子结构稳定，分子内的C＝O键键能很高(～750kJ/mol)，这导致打破其线性结构需要极高的还原电位(–1.9V vs可逆氢电极，RHE)。同时，在水系电解液中阴极极易发生的析氢反应(HER)也会降低产物的选择性。因此，需要合理设计性能高效、结构稳定的电催化剂。

金、银等贵金属催化剂在CO₂RR中具有较低的过电位，而且选择性较高。但是，贵金属的稀缺性严重制约了该类催化剂的大规模实际应用。近年来的研究表明，通过过渡金属-氮-碳(TM-N-C)键负载于碳基质上的TM-N活性位点具有优异的CO₂RR选择性。然而，过渡金属的物化性质活泼，这易导致其在煅烧制备过程中发生团聚，由此引起的活性位点分布不均和金属原子利用率低等问题会显著影响催化剂的电化学性能。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种稀土金属和过渡金属共掺杂碳基材料的制备方法，合成步骤简洁可控，成本低廉。

本发明的目的之二是提供上述制备方法制得的稀土金属和过渡金属共掺杂碳基材料的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种稀土金属和过渡金属共掺杂碳基材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取适量多孔碳、过渡金属前驱体和稀土金属前驱体，加入去离子水和乙醇，超声处理30min后，得到混合液A；称取适量2-甲基咪唑，加入去离子水，得到溶液B；随后，将混合液A加入到溶液B中，室温搅拌3-5h；

(2)将步骤(1)得到的混合液进行离心分离，沉淀用去离子水洗涤3-5次，将得到的固体放入烘箱中烘干过夜；

(3)将步骤(2)得到的干燥粉末放入到管式炉中，在氮气气氛中加热至600-800℃，并保温2h，随后自然冷却至室温；

(4)将步骤(3)得到的黑色粉末进行酸洗处理，随后抽滤，水洗至滤液呈中性，干燥后得到过渡金属和稀土金属共掺杂碳基材料。