杂原子掺杂过渡金属单原子催化剂及其制备方法与应用.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113549935A(43)申请公布日2021.10.26(21)申请号202110554720.2(22)申请日2021.05.20(71)申请人中国科学技术大学地址230026安徽省合肥市包河区金寨路96号(72)发明人陈维李科江浩松吴毅彬王一卜(74)专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司11021代理人孙蕾(51)Int.Cl.C25B1/23(2021.01)C25B1/50(2021.01)C25B11/091(2021.01)权利要求书1页说明书8页附图4页(54)发明名称杂原子掺杂过渡金属单原子催化剂及其制备方法与应用(57)摘要本发明公开了杂原子掺杂过渡金属单原子催化剂及其制备方法与应用，其中，杂原子掺杂过渡单原子催化剂包括：掺杂杂原子和过渡金属的碳催化剂，其中，杂原子包括氮、磷、硫中的一种或多种；过渡金属包括铁、钴、镍、铜、锰中的一种或多种。CN113549935ACN113549935A权利要求书1/1页1.一种杂原子掺杂过渡金属单原子催化剂，包括：掺杂杂原子和过渡金属的碳催化剂，其中，所述杂原子包括氮、磷、硫中的一种或多种；所述过渡金属包括铁、钴、镍、铜、锰中的一种或多种。2.一种权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法，包括：将碳基底材料进行活化处理，制备富含缺陷的碳基底材料；将所述富含缺陷的碳基底材料与过渡金属盐混合，制备含有过渡金属的碳基底前驱体，其中，所述过渡金属盐包括铁盐、钴盐、镍盐、铜盐、锰盐中的一种或多种；将所述含有过渡金属的碳基底前驱体与杂原子源混合研磨，并在氩气保护下经过热处理，制备得到所述单原子催化剂，其中，所述杂原子源包括氮源、磷源、硫源中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的制备方法，其中，所述铁盐包括硝酸铁、硫酸铁、乙酸铁、氯化铁中的一种或多种；所述钴盐包括硝酸钴、硫酸钴、乙酸钴、氯化钴中的一种或多种；所述镍盐包括硝酸镍、硫酸镍、乙酸镍、氯化镍中的一种或多种；所述铜盐包括硝酸铜、硫酸铜、乙酸铜、氯化铜中的一种或多种；所述锰盐包括硝酸锰、硫酸锰、乙酸锰、氯化锰中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的制备方法，其中，所述氮源包括尿素、甘氨酸、谷氨酸中的一种或多种；所述磷源包括三苯基膦、次亚磷酸钠、植酸中的一种或多种；所述硫源包括半胱氨酸、硫粉、硫脲中的一种或多种。5.根据权利要求2所述的制备方法，所述过渡金属盐与所述富含缺陷的碳基底材料的重量比包括1∶8～1∶20。6.根据权利要求2所述的制备方法，所述含有过渡金属的碳基底前驱体与所述杂原子源的重量比包括1∶5～1∶10。7.根据权利要求2所述的制备方法，所述将碳基底材料进行活化处理，制备富含缺陷的碳基底材料，包括：将碳基底材料在3～6mol/L硝酸溶液中80～100℃回流4～8h，制备富含缺陷的碳基底材料。8.根据权利要求2所述的制备方法，所述将所述含有过渡金属的碳基底前驱体与杂原子源混合研磨，并在氩气保护下经过热处理，制备含有过渡金属的碳基底前驱体，包括：将所述含有过渡金属的碳基底前驱体与杂原子源混合研磨，并在氩气保护下800℃加热1～2h，制备含有过渡金属的碳基底前驱体。9.一种应用权利要求1所述的单原子催化剂制备膜电极的方法，包括将所述单原子催化剂分散在异丙醇和全氟磺酸聚合物溶液的混合溶液中，得到单原子催化剂溶液；将所述单原子催化剂溶液滴涂在玻碳电极表面，真空干燥后，得到膜电极。10.一种权利要求1所述的单原子催化剂在电催化还原反应中的应用。2CN113549935A说明书1/8页杂原子掺杂过渡金属单原子催化剂及其制备方法与应用技术领域[0001]本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种杂原子掺杂过渡金属单原子催化剂及其制备方法与应用。背景技术[0002]当前，由于化石燃料的过度使用，大量的二氧化碳排放到大气环境中，导致严重的全球气候变暖、海洋酸化及海平面上升等问题，而这些问题一直是全人类共同关注和亟需解决的环境问题。电催化二氧化碳还原作为一种利用二氧化碳的方式，具有远大应用前景的领域。其是通过电能将二氧化碳转换为化学品，如一氧化碳、甲烷、甲酸等碳产物。此外，化石能源的过渡使用，导致能源紧缺问题的进一步加剧，电催化氧气还原生产双氧水及电催化氮气转氨气作为一种有效生产化学品的途径，被认为具有远大的发展前景。而在这过程中，优异性能的催化剂将决定电催化过程中的产物及转换效率。因此，筛选适宜的催化剂对于电催化二氧化碳还原、氧气还原及氮转氨等过程来说至关重要。[0003]近年来单原子催化剂在催化、能源等领域受到广泛关注。相比于传统纳米催化剂(金属纳米颗粒、团簇等)，单原子催化剂具有100％的理论原子利用率以及优异的催化活性，可有效降低催化剂成本；同时，单原子催