一种二维ZIF衍生超薄碳纳米片基镍单原子的制备和应用

本发明属于能源催化材料领域，具体涉及一种二维zif衍生超薄碳纳米片基镍单原子的制备方法以及其在电催化二氧化碳还原中的应用。

背景技术：

1、随着化石燃料的大量使用，人类排放了过多的二氧化碳，打破了地球的二氧化碳平衡，产生了严重的温室效应和环境污染。用可再生的电能电催化二氧化碳还原为化学燃料和原料被认为是缓解能源危机和温室效应、实现碳中和的最有效途径之一。但电催化二氧化碳还原实际应用的重点和难点是高效催化剂的制备。

2、单原子催化剂因为其独特的电子结构、不饱和的配位环境和最大的原子利用率被认为是能源催化转化（比如氧还原、析氢、二氧化碳还原等）领域非常有前途的催化剂。但是单原子催化剂面临着在制备和使用过程中容易迁移进而团聚的缺点。zifs材料因为其多孔结构、丰富的氮含量、可调的过渡金属位点被认识是热解制备单原子催化剂的一类理想前驱物。但是zifs在高温热解时会经历严重的坍塌和团聚，导致比表面积和多孔性的明显下降。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种二维zif衍生超薄碳纳米片基镍单原子的制备方法并应用在电催化二氧化碳还原。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种二维zif衍生超薄碳纳米片基镍单原子，镍原子以ni-n-c的形式均匀分布在氮掺杂超薄碳纳米片中体，具有良好的导电性、高比表面积等优点，能够充分暴露活性位点。

4、上述氮掺杂超薄碳纳米片基镍单原子催化剂的制备方法，其特征为包括以下步骤：

5、（1）五水硝酸锌和五水硝酸镍溶解在去离子水中，超声10 min得到溶液a，2-甲基咪唑溶解在去离子水中，超声10 min得到溶液b，边搅拌边把a滴加到b中，室温搅拌2 h，装入反应釜120 ℃下4 h，离心，并用去离子水洗涤3次，70 ℃真空干燥，得到二维双金属zif；（2）用熔盐法辅助热解，把二维双金属zif与氯化钠和氯化钾混合物充分研磨，装入瓷舟置于管式炉中，氮气保护下5 ℃/min升温到550 ℃并保持0.5 h，然后5 ℃/min升温到1000℃保持2 h，冷却到室温后用去离子水洗涤10遍，70 ℃真空干燥；（3）上一步的产物用0.5 m的hcl室温搅拌4 h，过滤，去离子水洗涤至中性，70 ℃真空干燥，得到氮掺杂超薄碳纳米片基镍单原子催化剂，记为m-lninc。

6、步骤（1）所述的制备二维双金属zif的溶剂为去离子水。

7、步骤（1）所述的五水硝酸锌和五水硝酸镍的摩尔比为10:1。

8、步骤（1）所述的五水硝酸锌与2-甲基咪唑的摩尔比为1:8。

9、步骤（1）所述的a和b两种溶液的去离子水用量都为160 ml。

10、步骤（2）所述的二维双金属zif的用量为0.3 g，氯化钠和氯化钾的用量分别为2.6366 g和3.3634 g。

11、步骤（3）所述的0.5 m hcl与酸洗固体物质的物料比为1.67 ml: 1 mg。

12、本发明的有益效果为：

13、一种二维zif衍生超薄碳纳米片基镍单原子，具有丰富的充分暴露的ni-n活性位点且载体氮掺杂超薄碳纳米片具有良好的导电性、高比表面积的等优点。利用本方法制备的镍单原子催化剂，可以高效地电催化二氧化碳还原。

技术特征：

1.一种二维zif衍生超薄碳纳米片基镍单原子的制备方法，其特征在于，包括：（1）五水硝酸锌和五水硝酸镍溶解在去离子水中，超声10 min得到溶液a，2-甲基咪唑溶解在去离子水中，超声10 min得到溶液b，边搅拌边把a滴加到b中，室温搅拌2 h，装入反应釜120 ℃下4h，离心，用去离子水洗涤3次，70 ℃真空干燥，得到二维双金属zif；（2）用熔盐法辅助热解，将二维双金属zif，与氯化钠和氯化钾混合物充分研磨，装入瓷舟置于管式炉中，氮气保护下5 ℃/min升温到550 ℃并保持0.5 h，然后5 ℃/min升温到1000 ℃保持2 h，冷却到室温后用去离子水洗涤10遍，70 ℃真空干燥；（3）上一步的产物用0.5 m的hcl室温搅拌4 h，过滤，去离子水洗涤至中性，70 ℃真空干燥，得到氮掺杂超薄碳纳米片基镍单原子催化剂，记为m-lninc。

2.根据权利要求1所述的一种二维zif衍生超薄碳纳米片基镍单原子的制备方法和应用，其特征在于步骤一所述的制备二维双金属zif的溶剂为去离子水。

3.根据权利要求1所述的一种二维zif衍生超薄碳纳米片基镍单原子的制备方法和应用，其特征在于步骤一所述的五水硝酸锌和五水硝酸镍的摩尔比为10:1。

4.根据权利要求1所述的一种二维zif衍生超薄碳纳米片基镍单原子的制备方法和应用，其特征在于步骤一所述的五水硝酸锌与2-甲基咪唑的摩尔比为1:8。

5.根据权利要求1所述的一种二维zif衍生超薄碳纳米片基镍单原子的制备方法和应用，其特征在于步骤一所述的a和b两种溶液的去离子水用量都为160 ml。

6.根据权利要求1所述的一种二维zif衍生超薄碳纳米片基镍单原子的制备方法和应用，其特征在于步骤二所述的二维双金属zif的用量为0.3 g，氯化钠和氯化钾的用量分别为2.6366 g和3.3634 g。

7.根据权利要求1所述的一种二维zif衍生超薄碳纳米片基镍单原子的制备方法和应用，其特征在于步骤三所述的0.5 m hcl与酸洗固体物质的物料比为1.67 ml: 1 mg。

技术总结
本发明属于能源催化材料领域，涉及一种二维ZIF衍生超薄碳纳米片基镍单原子的制备方法。包括以下步骤：用水做溶剂制备二维双金属ZIF，以该二维双金属ZIF为前驱物在熔盐辅助下高温热解，产物经洗涤、酸洗、干燥等操作，得到氮掺杂超薄碳纳米片基镍单原子催化剂。其特征在于：镍原子以Ni‑N‑C的形式均匀分布在碳载体中；载体氮掺杂超薄碳纳米片，具有良好的导电性、高比表面积等优点，能够充分暴露活性位点。利用本方法制备的镍单原子催化剂，可以高效地电催化二氧化碳还原。

技术研发人员：张凤鸣,严孝春,童昊,彭梦荥
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25