一种多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂及其制备方法

本发明涉及电催化剂，特别涉及一种多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、氧还原反应(orr)是包括质子交换膜燃料电池(pemfc)和金属-空气电池在内的新型清洁、高效绿色装置的基础。上述电池在工作中阴极发生的orr动力学缓慢，因而需要高效的电催化剂来加速其反应，目前首选的orr催化剂仍然是贵金属铂基催化剂。然而，贵金属铂资源稀缺，高价格以及较差的甲醇耐受性等因素严重阻碍了清洁能源的发展进程。因此，开发高效、低廉、抗甲醇毒化的orr催化剂来替代贵金属的pt基材料变得尤为重要，同时面临着很大挑战。

2、近年来，单原子催化剂由于其极致的原子利用率、高效的催化活性和选择性使其在电催化反应中得以广泛的应用。然而，由于单原子具有较高的比表面能，容易出现迁移团聚等问题，使得其在制备中遇到很多挑战。常规下，人们利用在载体上高温掺杂的杂原子(硼、氮、氧、硫等)的锚定作用，实现了单原子铁的高效和高稳定的分散，这将极大的提高铁的利用率。然而，由于金属原子的高表面能，仅依靠杂原子的配位难以使其在热解过程中有效地固定金属原子，从而导致金属离子的聚集，这将大幅度的降低单原子催化剂的金属负载量。因此，探索缓解金属团聚的可行性方法并获得高负载的单原子催化剂富有挑战。现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂及其制备方法，旨在解决现有氧还原电催化剂的原子利用率低以及催化活性较差的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂的制备方法，其中，包括步骤：

4、对含有nh4cl的zif-8进行高温热解处理，得到多孔结构的氮掺杂碳；

5、将所述多孔结构的氮掺杂碳浸入到含有氯化铁的溶液中，得到吸附有铁离子的氮掺杂碳材料；

6、将所述吸附有铁离子的氮掺杂碳材料置于惰性气氛中进行还原处理，得到多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂，记为fe/nc电催化剂。

7、所述多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂的制备方法，其中，对含有nh4cl的zif-8进行高温热解处理的步骤中，高温热解处理的温度为600-1000℃。

8、所述多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂的制备方法，其中，所述惰性气氛为氮气、氦气和氩气中的一种或多种。

9、一种多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂，其中，采用本发明所述多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂的制备方法制得。

10、有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂的制备方法，首先利用nh4cl在高温下分解为nh3和hcl，zif-8作为一个酸敏感性材料，分解过程中形成的hcl可对其进行刻蚀，加上zn的离开，最终可形成多孔结构的氮掺杂碳；然后在室温下，fe3+可以与孔表面的空位结合，形成稳定的fe-n结构，随后，将吸附有金属离子的碳材料再次在惰性气氛中还原，即可实现氮掺杂的多孔碳表面的fe-n4的原子级分散，即制得多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂。本发明中fe以单原子形式均匀分散到碳基底上而没有fe的金属颗粒存在，表明fe完全掺杂进入碳结构中，多孔结构的存在有利于fe-n4活性位的暴露，从而可提高催化剂的氧还原性能。

技术特征：

1.一种多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，对含有nh4cl的zif-8进行高温热解处理的步骤中，高温热解处理的温度为600-1000℃。

3.根据权利要求1所述多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛为氮气、氦气和氩气中的一种或多种。

4.一种多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂的制备方法制得。

技术总结
本发明公开一种多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂及其制备方法，其中，制备方法包括步骤：对含有NH<subgt;4</subgt;Cl的ZIF‑8进行高温热解处理，得到多孔结构的氮掺杂碳；将多孔结构的氮掺杂碳浸入到含有氯化铁的溶液中，得到吸附有铁离子的氮掺杂碳材料；将吸附有铁离子的氮掺杂碳材料置于惰性气氛中进行还原处理，得到多级孔缺陷碳负载单原子氧还原电催化剂，记为Fe/NC电催化剂。本发明中Fe以单原子形式均匀分散到碳基底上而没有Fe的金属颗粒存在，表明Fe完全掺杂进入碳结构中，多孔结构的存在有利于Fe‑N<subgt;4</subgt;活性位的暴露，从而可提高催化剂的氧还原性能。

技术研发人员：符显珠,崔林芳,骆静利
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29