[发明专利]一种金属氰胺化合物基纳米电催化材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种金属氰胺化合物基纳米电催化材料及其制备方法，使用有机胺类作为Lewis碱预脱单氰胺的质子得到[NCN]supgt;2‑/supgt;的前驱体，同时通过真空处理制备得到无水的金属离子前驱体，在一定温度下将[NCN]supgt;2‑/supgt;的前驱体注入金属离子前驱体进行反应，从而制备得到组分、形貌与结构均可调的金属氰胺化合物基纳米电催化材料Msubgt;x/subgt;[NCN]subgt;y/subgt;，金属氰胺化合物基纳米电催化材料的化学组成、具体形貌和晶体结构取决于具体反应条件。

技术领域

本发明涉及材料制备领域，特别涉及一种电催化CO₂还原材料，具体涉及一种具有特殊晶体结构的金属氰胺化合物基纳米电催化材料及其制备方法，尤其是一种多维度纳米金属氰胺化合物材料及其制备方法和应用。

背景技术

21世纪以来，传统化石能源的过度使用造成了严重的能源危机与环境污染。其中化石燃料燃烧释放了过量的CO₂，打破了自然界的碳循环，造成了严重的温室效应，极大影响了地球气候。在此背景下，电催化CO₂还原制备化学燃料既能解决温室效应，也能缓解源短缺问题，因此近年来CO₂还原催化剂的开发备受国内外科研团队关注。

CO₂还原的一个关键步骤是C＝O键的活化，根据d带中心理论及广泛的经验性规律，不同金属元素特有的d带结构影响催化剂对CO2的吸附与活化，进而选择性地获得特定还原产物。然而，金属d带结构有限的可调性使得目前大多数催化剂仅对CO₂催化还原产CO和甲酸有较高选择性，如Ag、Mn、In等；只有铜催化剂可以有效产出多碳化合物，但其选择性较差，效率较低。因此，在以d 带中心调控为主的催化剂设计理念基础上，研究出新的催化剂体系，提出新的催化机理和催化剂设计理念对进一步提升CO₂催化还原产物的选择性、转化率和产品多样性具有重要意义。

金属氧硫属化合物因其制备方法简单,来源丰富而成为最常研究的CO₂还原催化材料。其中，相比金属材料，化合物中具有的阴离子被广泛认为可通过影响阳离子的电子结构进而调控材料的催化性能。然而，由于金属元素本身电子结构的有限可调性,化合物类催化剂的CO₂电催化还原产物与其金属类似。而阴离子本身对催化过程的参与受到忽视。事实上已有文献报道阴离子可直接参与催化反应进而调节CO₂还原的产物选择性以及反应活性。因此，通过引入具有特殊结构的阴离子参与催化反应一方面能提升催化反应的活性，提出阴离子催化机理，另一方面基于新的反应机理可拓展CO₂还原反应催化剂的设计合成思路。

金属氰胺化合物以线性[NCN]^2-为阴离子。[NCN]^2-拥有[N＝C＝N]^2-和[N≡ C-N]^2-两种共振形式，使其化合物不仅具有空旷的晶体结构，还拥有共轭的电子结构。氰胺化合物空旷的晶体结构内部具有以上的一维或二维孔道，可以提升化合物本身的反应活性位点。而[NCN]具有与[O＝C＝O]类似的电子结构，两者之间可存在π-π相互作用，增强化合物对于CO₂的吸附。因此，金属氰胺化合物具有较大潜力成为CO₂还原的高效催化剂。

然而，目前氰胺化合物的制备高度依赖高温的固相合成，该方法对于金属氰胺化合物结构形貌的调控十分有限，不仅影响其催化性能的发挥，且对设备依赖程度大，耗费更大的能源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属氰胺化合物基纳米电催化材料及其制备方法，可解决高温固相合成方法带来的金属氰胺化合物结构形貌调控能力有限的问题，且制备得到的金属氰胺化合物基纳米电催化材料具有高比表面积、形貌可调的优势，在CO₂还原中性能表现优异。