[发明专利]单原子铁掺杂的氮碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种单原子铁掺杂的氮碳材料及其制备方法和应用，制备方法包括：将铁盐、生物炭和水混合，干燥至形成固体，在惰性气体或者氮气环境下，将所述固体升温至300～650℃并于该温度保持1～3h，再升温至900～1100℃并于该温度保持1～2h，冷却至室温，得到氮碳材料，本发明的制备方法简单，原材料成本低。氮碳材料作为催化剂在0.1M KHCO₃电解液中电催化还原CO₂中表现出较高的催化活性，Tafel斜率为70mv dec^‑1，活性中心Fe‑Nx的构成以及材料的多孔结构，使得催化剂在较低的过电位‑0.6V下FECO达到93％；具有良好的材料稳定性。

技术领域

本发明属于环境功能材料技术领域，具体来说涉及一种单原子铁掺杂的氮碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着温室气体引发的环境问题日益严峻，以及化石能源等不可再生能源储量的减少，二氧化碳的捕集与利用显得格外重要，急需开发出高效技术将二氧化碳转化为有价值的化学能源利用起来。电催化还原法是在加电能的作用下，将CO₂还原为增值产品，具有操作简单、反应条件可控等优点，且电催化过程需要的电能还可由太阳能、风能等可再生能源进行提供，实现绿色可持续发展。然而，C＝O的高键能(750kJ mol^-1)这意味着激活CO₂分子需要高过电位。因此，有效的电催化剂是提高电催化CO₂RR性能的必要条件。

在过去的研究中，研究人员已经开发出一系列的催化剂应用于电催化还原CO₂，如金属单质、金属氧化物、金属合金、碳基材料和N掺杂的碳基材料等，但催化剂的催化效果并不理想，此时单原子催化剂的提出引起人们广泛的研究兴趣。单原子金属具有较高的表面能，单原子催化剂具有高选择性、高稳定性、可以重复循环使用等特点。Sui等研究了将贵重金属银(Ag)负载到氮掺杂的碳材料表面，制备出的单原子Ag-N₃/PCNC可以在较低的过电位下将CO₂转化为CO，具有较高的CO法拉第效率(FECO)，但存在价格昂贵，资源有限，稳定性差等问题，极大制约大规模商业化应用。

目前，已有研究提出M-N-C结构的催化剂，通过N的掺杂和碳材料(C)的支撑提高单原子过度金属(M)的活性。Fe-N-C催化剂在众多过渡金属催化剂中具有优异表现，宗子傲等公开了一种Fe-N-C纳米线催化剂的制备方法(宗子傲,范传滨,黄桂梅,庞雅琴,宾贻东,韦良家等.一种Fe-N-C纳米线催化剂的制备方法，202111262456.1)，然而其制备Fe-N-C的原材料包括Zn(NO₃)₂·nH₂O、FeCl₂·mH₂O、2-甲基咪唑、碘化钾、甲醇，制备步骤中涉及的缓慢滴加、搅拌、分离等是为了得到掺杂Fe的ZIF-8前驱体，然后煅烧才能得到Fe-N-C结构材料。同样的，王吉德等公开了一种用于提高电催化氧还原性能的铁氮共掺杂碳纳米催化材料(王吉德,冯超,郭媛,谢月洪,张莉,陈廷祥等.(2020).一种用于提高电催化氧还原性能的铁氮共掺杂碳纳米催化材料.CN111082084A)，其中涉及到的Fe@N-C结构需要利用2-甲基咪唑或苯并咪唑中氮原子上的孤对电子竞争配位作用才能成功得到富氮的Fe@N-C材料。可见，目前针对Fe-N-C结构的制备通常需要采用先配位Fe-N前驱体，再高温碳化Fe-N-C的方式，制备过程较为复杂。且同类材料多被用于阳极材料，测试其氧还原能力(ORR)。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种单原子铁掺杂的氮碳材料的制备方法。

本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的单原子铁掺杂的氮碳材料。

本发明的另一目的是提供上述氮碳材料作为催化剂在提高电催化还原CO₂的CO法拉第效率中的应用。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。