[发明专利]一种高缺陷氮化硼担载的原子级分散金属催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种高缺陷氮化硼担载的原子级分散金属催化剂的制备方法及其在能源催化领域的应用。本发明首次通过一锅法将氮化硼层包覆在碳纳米管外围，再使用硼酸溶液刻蚀氮化硼表面制造大量缺陷，然后通过浸渍金属盐溶液后在氨氩混合气氛下热解得到富缺陷氮化硼担载的原子级分散金属催化剂X@e‑BN@CNT（X=Co,Ni,Fe等）。制备的氮化硼包覆层厚度仅为1.70 nm，约为5层，具有大量缺陷，担载的金属以原子级均匀分散。该原子级分散金属催化剂的制备方法简单、成本较低，在能源催化领域具有潜在的商业应用价值，可用于电催化水分解、氧还原反应（ORR）、二氧化碳还原反应（COsubgt;2/subgt;RR）、有机催化反应、锌空电池等催化反应及能源器件。

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备及能源催化领域，具体涉及高缺陷氮化硼担载的原子级分散金属催化剂的合成及其在能源催化领域的应用。

背景技术

近年来，金属原子级分散催化剂凭借其超高的原子利用率、独特的物理化学特性及优异的催化性能，已成为目前能源催化领域研究的热点，被广泛应用于催化领域中，如热催化、电催化、光催化等领域。金属原子级分散催化剂的载体除了可以约束金属的原子级分散，还能产生一定的协同作用，影响催化剂的性能。目前，常用的原子级分散金属催化剂载体是碳材料，如碳纳米管、石墨烯、MOF衍生物等。但是，碳材料往往需要从外部引入连接金属原子的氧或氮、硫、磷等杂原子，提升原子级分散金属原子的催化性能。这些合成策略相对复杂，成本较高，同时难以确定催化剂的内部配位环境。

二维非金属载体氮化硼与石墨烯结构类似，具有密度低、比表面积大、成本低，化学和热稳定性高，能抵抗电化学腐蚀等许多独特的优点，同时组成元素中的硼和氮原子亦可调控活性中心金属的电子结构，影响催化活性。氮化硼表面是金属粒子的惰性载体，难以与金属形成强相互作用，因此需要通过引入缺陷，为金属原子的锚定提供理想的位点。目前制造缺陷的方式主要有电子束或离子溅射等，能耗和成本较高。同时超薄的包覆层可以有效减少氮化硼层间绝缘的影响，加速层间电子传输，进而提高其电催化性能。而制备单层或少层的氮化硼纳米片通常使用化学剥离、机械剥离六方氮化硼块，化学气相沉积等方法，均不够简便，较高的设备要求导致无法实现广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高缺陷氮化硼担载的原子级分散金属催化剂的方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

将尿素、硼酸与碳纳米管混合研磨后，在氨氩混合气氛下于800~1100℃反应；再将获得的粉末与硼酸溶液混合并加热处理，之后用水洗涤，得到富缺陷氮化硼复合材料；然后将富缺陷氮化硼复合材料与金属盐溶液混合，超声处理，冷冻干燥，最后在氨氩混合气氛下于650~850℃热处理，得到高缺陷氮化硼担载的原子级分散金属催化剂。

优选地，所述金属盐溶液可以为硝酸金属盐、醋酸金属盐或氯化金属盐。

优选地，所述金属盐溶液中的金属可以为Co、Fe、Ni等过渡金属中一种或若干种的混合物。

优选地，所述尿素与硼酸的摩尔比可以为3~5。

优选地，所述硼酸溶液的浓度可以为0.1~0.5 mol/L，加热处理时间可以为10~40分钟。

优选地，所述碳纳米管可以为无碳纳米管、多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、氨基碳纳米管、羧基碳纳米管、羟基碳纳米管、或硝基碳纳米管。

本发明另一目的在于提供上述方法得到的高缺陷氮化硼担载的原子级分散金属催化剂的应用，所述高缺陷氮化硼担载的原子级分散金属催化剂可以应用于电催化水分解反应、氧还原反应（ORR）、二氧化碳还原反应（CO₂RR）、有机催化反应及锌空电池等。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明首次选用高缺陷氮化硼作为原子级金属催化剂载体；