[发明专利]一种Ni-N-C单原子催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种Ni‑N‑C单原子催化剂及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)将镍盐和烷基卟啉加入反应溶剂，经回流反应得到混合溶液，向所述混合溶液加入纳米氧化物经超声、旋转蒸发及真空干燥得到镍卟啉前驱体；(2)对步骤(1)得到的镍卟啉前驱体进行热处理，再经酸处理、洗涤及干燥得到所述Ni‑N‑C单原子催化剂，本发明所述方法综合旋转蒸发引导的自组装技术和硬模板法，以烷基卟啉与镍盐合成的镍卟啉作前驱体，纳米氧化物作硬模板，所述催化剂在较宽的电位下，在二氧化碳电还原反应中表现出良好的电催化性能，产物一氧化碳的法拉第效率最高达到95％。

技术领域

本发明属于电催化二氧化碳还原领域，涉及一种Ni-N-C单原子催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，通过电化学方法将二氧化碳还原为高附加值的化学品或液体燃料，不仅能降低二氧化碳排放，还能实现可再生能源的存储转化和碳资源的转化利用，是低碳、绿色和可持续发展的新途径，具有重要的科研价值及广阔的应用前景。相比其它方法，电催化二氧化碳还原具有独特的优势：在常温常压下反应，工艺过程和变量调控简单，清洁无污染，产物选择性和转化率较高，而且反应所需电能可由风能、太阳能或潮汐能等可再生能源转化而来。

CN107293730A公开了一种Ni-N-C复合正极材料、制备方法及在锂空气电池中的应用，其将壳聚糖、乙酸镍和乙酸的混合溶液冷冻干燥得到的前驱体，在氩气气氛下900-1000℃热解3小时得到Ni-N-C复合材料，镍纳米颗粒均匀生长在掺氮的多孔碳上，作锂空气电池的正极材料，具有较低的过电位，高比容量以及优异的循环性能。

CN109126849A公开了一种Ni-N-C单原子催化剂的制备方法：以金属有机骨架材料ZIF-8为载体前驱体，在合成过程中引入镍盐，后经高温热处理得到Ni-N-C单原子催化剂。由于ZIF-8不仅具有交叉三维网络结构，较大的孔径和较高的比表面积等优点，同时可通过控制易挥发性的Zn的加入量来增加金属原子节点在空间上的距离，因此采用原位合成法以ZIF-8为载体前驱体在制备高分散，高载量以及高稳定性的单原子催化剂上的潜力巨大。同时，其所述制备方法成本低廉、步骤简单、条件温和，重复性较好且易于大批量生产，而且Ni-N-C单原子催化剂在吸附、催化反应、电极材料等方面均具有一定的市场应用前景。

在二氧化碳电还原中，Ni-N-C的电催化性能主要由电催化剂活性位的结构和密度决定，除了合成条件的影响，与催化剂前驱体的结构和组成密切相关。目前，Ni-N-C存在金属载量很低、活性位结构不明确及活性位密度低等关键问题，影响其电催化的活性和选择性。迫切需要开发高负载量的活性位结构明确的Ni-N-C。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Ni-N-C单原子催化剂及其制备方法和应用，通过综合旋转蒸发引导的自组装技术和硬模板法，以烷基卟啉与镍盐合成的镍卟啉作前驱体，纳米氧化物作硬模板，将镍盐和烷基卟啉合成的镍卟啉前驱体在惰性气氛下进行热处理，再经酸处理、洗涤及干燥得到所述Ni-N-C单原子催化剂。所述催化剂在较宽的电位下，在二氧化碳电还原反应中表现出良好的电催化性能，产物一氧化碳的法拉第效率最高达到95％。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种Ni-N-C单原子催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将镍盐和烷基卟啉加入反应溶剂，经回流反应得到混合溶液，向所述混合溶液加入纳米氧化物经超声、旋转蒸发及真空干燥得到镍卟啉前驱体；

(2)对步骤(1)得到的镍卟啉前驱体进行热处理，再经酸处理、洗涤及干燥得到所述Ni-N-C单原子催化剂。

本发明综合旋转蒸发引导的自组装技术和硬模板法，使用烷基卟啉与镍盐反应的镍卟啉做前驱体，纳米氧化物作硬模板，经热处理和酸洗。合成方法简单，金属载量高，孔结构可控，活性位结构明确，该催化剂应用在二氧化碳电还原反应。