[发明专利]一种二维材料单原子燃料电池催化剂及其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种二维材料单原子燃料电池催化剂及其制备方法及应用，涉及电化学催化技术领域。本发明设计了一种热插层剥离法，采用氯化血红素作为铁源，在水系环境中合成层状的Fe‑ZIF‑L，将Fe‑ZIF‑L、KCl和LiCl进行充分的混合研磨，KCl和LiCl作为剥离剂和刻蚀剂，将混合后的前驱体置于管式炉中在氩气气氛下进行高温热解，在400℃进行热插层剥离，将Fe‑ZIF‑L剥离成超薄的2D形态，并表现出一种大的分层下多孔结构，以获得燃料电池性能的提升。用于将二维材料催化剂进行局域刻蚀造孔的目的，是催化剂能够达到在垂直平面上电子转移快、传质通道丰富的目标，实现二维材料催化剂在氧还原反应性能能够高效提升，以及在燃料电池应用中的提升。

技术领域

本发明属于电化学催化技术领域，具体涉及一种二维材料单原子燃料电池催化剂及其制备方法及应用。

技术背景

燃料电池作为动力源在新能源汽车产业具有良好的发展前景，被认为是最具有前途的清洁和可持续的能源转换技术之一，它有解决人类对化石能源高度依赖的潜力，并为绿色能源的开发创造动力，但现在的燃料电池技术需要高载量的贵金属催化剂铂来促进阴极进行缓慢的氧还原反应(ORR)，贵金属铂由于稀缺性和高成本性，严重阻碍了燃料电池的商业化进程。实现贵金属铂的可替代性是现阶段燃料电池催化剂领域的重大难题，由金属有机框架(MOFs)衍生的碳基氮配位非贵金属单原子催化剂(SA-Me-ENG)具有高催化活性、高稳定性、低成本性以及优异的导电性等优势，被认为是最具有前景取代铂的ORR催化剂，以实现研发出廉价、高效、高稳定性ORR催化剂的可能性。

目前，SA-Me-ENG材料中有大量的活性位点被“掩埋”而无法体现出催化剂的活性，这严重阻碍了催化剂性能的提升以及在燃料电池中的应用。但大多数MOFs催化剂三维(3D)形状，只有微孔Fe-Nx部分接近外部表面的催化剂参与ORR反应，更多的活性位点埋在致密的碳矩阵中，因此，有必要通过形成通道来构建其与介孔结合，以提高活性位点的利用率。二维纳米材料具有比表面积大、可修饰性强且表面原子可完全暴露等特点，有望用于二维材料催化剂(SA-Me-ENG)提升ORR性能的构建中，但这一结构会使垂直于二维平面方向上的传输受阻，进而影响到燃料电池的整体性能。

鉴于上述问题，本发明提出利用碱金属氯化物对二维材料催化剂进行热插层剥离而实现局域刻蚀造孔的目的，以达到在垂直平面上电子转移快、传质通道丰富的目标，实现二维材料催化剂(SA-Me-ENG)在ORR性能能够得到高效提升以及在燃料电池应用中的提升。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术中的不足，提供一种利用碱金属氯化物对二维材料催化剂进行热插层剥离，实现二维材料催化剂的制备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种二维材料单原子燃料电池催化剂，其制备方式包括以下步骤；

采用氯化血红素作为铁源，在水系环境中合成层状的Fe-ZIF-L,将Fe-ZIF-L、KCl和LiCl进行充分的混合研磨，将混合后的前驱体置于管式炉中在氩气气氛下进行高温热解，在400℃下进行热插层剥离，将Fe-ZIF-L剥离成超薄的2D形态，并表现出一种大的分层多孔结构，以获得燃料电池性能的提升。

优选的，所述的合成Fe-ZIF-L的具体操作如下：将1.6g六水合硝酸锌和340mg氯化血红素溶入100mL去离子水中，与2-甲基咪唑(2.75g)100mL去离子水溶液混合，常温条件下搅拌12h后，进行抽滤，去离子水清洗3次，无水乙醇清洗3次，抽滤，冷干，获得Fe-ZIF-L。

优选的，上述的氯化血红素为一分子亚铁和原卟啉络合形成，是形成Fe-N_X活性位点的理想前体。

优选的，所述的制备所需前驱体的具体操作如下：取550mg的Fe-ZIF-L，2g LiCl，8g KCl在手套箱里进行充分研磨，得到混合物前驱体。