一种碳基五元环Fe单原子催化剂及其制备方法与应用

本发明涉及一种碳基五元环fe单原子电催化剂的制备方法及氧还原催化应用，属于新材料领域。

背景技术：

1、电化学储能与转换技术是一种低碳、绿色、安全、高效的可实现“减碳”的技术。金属空气电池和燃料电池具有超高的理论能量密度。电化学储能与转换技术是一种低碳、绿色、安全、高效的技术。金属空气电池和燃料电池具有超高的理论能量密度电化学储能与转换技术是一种低碳、绿色、安全、高效的技术。金属空气电池和燃料电池具有超高的理论能量密度，这使得电动汽车等需要长续航能力的设备得以实现。然而，在反应过程中，只有表面原子起作用，内部原子对催化作用不大。高昂的价格和低原子利用率限制了它的商业应用。开发高效电催化剂并显著提高其原子利用率迫在眉睫。

2、单原子催化剂的特征是原子分散的过渡金属中心(例如，mn，fe，co)及其相邻的配位原子(通常是c，n或o；四个原子在同一平面内)被限制在碳骨架内。同时，杂原子如s，o，和p能够掺杂在碳骨架中，被称为环境原子。此外，中心金属原子是不饱和配位的，因此能够进一步与潜在的客体基团(包括小分子和无机颗粒)相互作用。虽然环境原子不直接与过渡金属中心键合，但杂原子掺杂在碳骨架中会通过长程离域作用调节m-n-c位的电子结构。此外，客体基团还可以通过配位键或分子间相互作用影响m-n-c位的状态，因此，通过合理调控中心金属原子、配位原子、环境原子和客体基团，可以有效地提高m-n-c sacs的本征电催化orr活性。这充分说明了碳基单原子催化剂在电化学能源存储与转化领域应用的巨大潜力，开发碳基单原子催化剂具有重要的科学与技术意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种新的碳基五元环fe单原子催化剂的制备方法，可以有效抑制金属团聚。该方法能够简便地制备碳基五元环fe单原子催化剂。本发明具有工艺和设备简单，能耗低，后处理简单等优点，易于碳基单原子电催化剂的规模化生产。本发明使用的气相沉积法能使金属原子均匀分布在载体上，具有原子利用率高、活性高等优点。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种碳基五元环fe单原子催化剂，所述碳基五元环fe单原子催化剂按如下方法制备：

4、s1：将低沸点金属的无机盐、苯酚和甲醛充分混匀(白色粘稠状)，160-180℃反应6-8h(优选160℃反应8h)，所得反应物干燥后，于保护氛围中、1050-1150℃管式炉中热处理2-3h(优选为1150℃热处理2h)，充分研磨(在本发明的一个实施例中研磨至约为20目的细小黑色粉末)，得到p-cm；

5、所述低沸点金属的无机盐为锌盐、锰盐中的一种或两种(优选为锌盐)；所述低沸点金属的无机盐与苯酚的质量比为3.2-4.7：1；所述甲醛的体积以所述苯酚的质量计为1.6-2.66ml/g(优选1.6ml/g)；

6、s2：将步骤s1中所述p-cm与铁盐同时放入管式炉中，保护氛围中750-1050℃下进行气相沉积(cvd)2-3h(优选为3h)，常温冷却，得到所述碳基五元环fe单原子催化剂，所述p-cm与铁盐的质量比为1：0.8-1(优选1：1)。

7、进一步，步骤s1或步骤s2所述保护氛围可以是氮气氛围，也可以是惰性气体氛围，如氩气。

8、进一步，步骤s1中，所述低沸点金属的无机盐为氯盐、硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐中一种或两种以上的混合物。优选为氯化锰或氯化锌，尤其优选为氯化锌。

9、进一步，步骤s2中，所述铁盐为fecl3。

10、本发明尤其优选所述碳基五元环fe单原子催化剂按如下方法制备：

11、s1：将氯化锌、苯酚和甲醛充分混匀，160℃反应8h，所得反应物干燥后，于氮气氛围中、1150℃管式炉中热处理2h，充分研磨，得到p-cm；

12、所述氯化锌与苯酚的质量比为4.25：1；所述甲醛的体积以所述苯酚的质量计为1.6ml/g；

13、s2：将步骤s1中所述p-cm与fecl3同时放入管式炉中，保护氛围中1050℃下进行气相沉积3h，常温冷却，得到所述碳基五元环fe单原子催化剂，所述p-cm与fecl3的质量比为1：1。

14、第二方面，本发明还提供一种上述碳基五元环fe单原子催化剂于氧还原反应中的应用。

15、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

16、1)所用原料易得，制备方法简单，可重复性好。有利于碳基fe单原子催化剂的规模化生产。本发明的电催化剂载体可适用于燃料电池的氧还原反应(oxygen reductionreaction，orr)。

17、2)通过气相沉积的方法可以可控制备金属单原子，揭示了内在的活性机制。

技术特征：

1.一种碳基五元环fe单原子催化剂，其特征在于所述碳基五元环fe单原子催化剂按如下方法制备：

2.如权利要求1所述的碳基五元环fe单原子催化剂，其特征在于：步骤s1中所述保护氛围是氮气氛围。

3.如权利要求1所述的碳基五元环fe单原子催化剂，其特征在于：步骤s1中，所述低沸点金属的无机盐为氯盐、硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐中一种或两种以上的混合物。

4.如权利要求3所述的碳基五元环fe单原子催化剂，其特征在于：步骤s1中，所述低沸点金属的无机盐为氯化锰或氯化锌。

5.如权利要求4所述的碳基五元环fe单原子催化剂，其特征在于：步骤s1中，所述低沸点金属的无机盐为氯化锌。

6.如权利要求1所述的碳基五元环fe单原子催化剂，其特征在于：所述气相沉积的温度为1150℃。

7.如权利要求1所述的碳基五元环fe单原子催化剂，其特征在于：步骤s2中所述保护氛围是氮气氛围。

8.如权利要求1所述的碳基五元环fe单原子催化剂，其特征在于：步骤s2中，所述铁盐为fecl3。

9.如权利要求1所述的碳基五元环fe单原子催化剂，其特征在于：所述碳基五元环fe单原子催化剂按如下方法制备：

10.如权利要求1所述的碳基五元环fe单原子催化剂于氧还原反应中的应用。

技术总结
本发明公开一种碳基五元环Fe单原子催化剂及其制备方法与应用，制备方法为：将无机盐和液体有机物充分混匀；所得混合物进行热处理；得到的产物干燥后再在氮气氛围下在管式炉中进行高温热处理得到催化剂载体：再在保护氛围下，在铁源的存在下进行气相沉积，得到碳基单原子催化剂。本发明具有工艺和设备简单，能耗低，后处理简单等优点，易于碳基单原子电催化剂的规模化生产。同时气相沉积法能使金属原子均匀分布在载体上，具有原子利用率高、活性高等优点。因此，该类型的材料在催化领域具有很高的应用前景。

技术研发人员：汪鑫,孙海,汪磊,贾毅
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15