[发明专利]一种双金属单原子催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于三维碳气凝胶的双金属单原子催化剂及其制备方法和应用。本发明公开的双金属单原子催化剂，以三维多孔碳材料为基体，负载双金属单原子活性成分，具有良好的催化活性。经过实验验证，本发明公开的催化剂具有优于商用RuOsubgt;2/subgt;的析氧反应效率。另外本发明公开的催化剂制备方法，生产工艺简单，原料廉价易得，反应条件温和且不需要特殊设备，因而具有应用到大规模工业生产中的潜力，是解决海水电解工程中Clsupgt;‑/supgt;腐蚀和高效析氧等难题的有效方案。

技术领域

本发明涉及一种催化剂，具体涉及一种基于三维碳气凝胶的双金属单原子催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

进入21世纪以后，世界经济飞速发展，与此同时对于化石燃料的需求也越来越高，随之而来的能源危机和环境污染问题引起了全世界的广泛关注，可以说，能源和环境是当今社会可持续发展所面临的两大主题。

解决上述问题的重要措施就是开发利用以太阳能、风能、潮汐能等为代表的绿色可再生能源，然而此类可再生能源存在产能波动大、间歇性等问题，因此需要借助先进的能源转换和存储技术才能高效利用。其中，电解水制氢技术作为绿色有效的能源转换存储方式之一，受到了广泛的关注和研究。

电解水技术包括两个半反应，即阴极上的析氢反应(Hydrogen evolutionreaction，HER)和阳极上的析氧反应(Oxygen evolution reaction，OER)。从产物来看，阴极所生产的氢气可用于氢燃料电池，是应对能源危机和环境危机的理想能源；同时阳极产生的高纯氧气可广泛用于化工、医疗、能源等领域，具有极高的经济价值。但是由于阳极的析氧反应为四电子-质子耦合反应，具有非常大的动力学阻碍，需要更高的能量，因此电解水技术强烈依赖于高效稳定的阳极OER催化剂材料。

另一方面，目前电解水技术通常以纯化过的淡水(根据不同工艺采用酸、碱化处理)作为原料，这无疑增加了电解水工艺的成本。而地球约96％以上的水资源以海水的形式存在，海水是更为适宜的电解水原料。然而，由于海水中存在大量的游离离子，其中Cl^-在阳极上有着较低的氧化电位，可能与OER形成竞争反应，同时Cl^-具有强烈的腐蚀性，在电解过程中会腐蚀电极，极大影响电解水装置的寿命。因此开发能够在海水中稳定工作、具有较高催化选择性的催化材料具有重要的意义。

目前，大多数能源和环境相关的化工过程都运用了催化技术，通过使用催化剂来提高反应速率或者提高反应产物选择性。其中，金属催化剂因其性能优异以及可灵活调控性而在催化剂的使用中占有较大的比重。随着化工工艺的不断深入和细化，单原子催化剂(SACs)成为近些年来的研究热点，该种类催化剂将活性组分以原子级分散的方式固定在载体上形成多相催化剂，由于活性组分达到原子级，因此具有其活性高、稳定性好、催化选择性强等优点；而如果在此基础上引入第二金属组分制备成双金属单原子催化剂，则其催化性能将得到进一步提高。

因此，基于上述优点，开发同时具有高催化活性和抗腐蚀性的OER催化剂，有望成为解决海水电解工程中Cl^-腐蚀和高效析氧等难题的有效方案。但目前文献报道的双金属单原子催化剂的制备方法较少，且大多制备方法繁杂、成本高，得到的催化剂的活性和稳定性也有待提高。因此，开发一种更加高效、低成本、工艺简单的双金属单原子催化剂的制备方法就显得尤为重要。

发明内容

面对上述问题，本发明提出一种以超分子水凝胶为前驱体合成高性能的双金属单原子负载的碳气凝胶催化剂以及其制备方法，该方法简单易行，得到的催化剂成本低廉、催化性能优异，具有高活性、良好的选择催化性(从而避免Cl^-的影响)的特点，可以用于海水的催化析氧反应。

本发明的第一方面，是提供一种双金属单原子催化剂。

该催化剂以氮掺杂的三维多孔碳气凝胶为基体材料，在基体材料上负载双金属单原子。