【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及電催化二氧化碳還原，尤其涉及一種位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、二氧化碳(co2)氣體是人類在地球上賴以生存所需的一種必要物質(zhì)。然而，人類活動以及工業(yè)發(fā)展給大氣排放了大量co2，使得大氣co2濃度從19世紀(jì)初的278ppm暴增至2023年的421ppm，導(dǎo)致強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)以及全球氣候問題。因此，降低碳排放迫在眉睫。
2、目前已經(jīng)被實(shí)際應(yīng)用的幾種實(shí)現(xiàn)碳中和的方法有：二氧化碳捕集與封存技術(shù)(ccs)和二氧化碳捕集與轉(zhuǎn)化利用技術(shù)(ccu)。其中，以co2為原料生產(chǎn)高附加值化學(xué)品的利用技術(shù)是最具吸引力的碳減排途徑之一。在溫和的反應(yīng)條件下，co2電催化轉(zhuǎn)化(ecr)技術(shù)能夠?qū)o2轉(zhuǎn)化為甲烷、乙醇、乙烯等具有高值化學(xué)品，不僅可以助力減排和資源化利用，還可以實(shí)現(xiàn)可再生能源向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化存儲，有望成為構(gòu)建綠色環(huán)保的新型能源體系的重要一環(huán)。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化構(gòu)筑高效穩(wěn)定的催化劑，同時(shí)整合高效穩(wěn)定的電解池系統(tǒng)，ecr技術(shù)有望發(fā)展成具有實(shí)際商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的碳減排手段。
3、但目前co2電催化轉(zhuǎn)化中所用的催化劑還存在催化活性不高的缺陷，基于此，有必要對目前的催化劑進(jìn)行改進(jìn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的一個(gè)問題，提供一種位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑及其制備方法和應(yīng)用。
2、第一方面，本專利技術(shù)提供了一種位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑，包括雜原子雜化的載體以及金屬，所述金屬以單原子
3、所述金屬與雜原子中的至少一種配位；
4、所述載體為高熱穩(wěn)定性載體，所述載體在300～1200℃溫度下熱解損失為0.1wt％～90wt％。
5、優(yōu)選的，所述金屬包括銅、鈷、鋁、鐵、錳、銦、鎳、錫、銀、鈀、鉑、金中的至少一種；
6、和/或，所述載體包括金屬載體、金屬氧化物載體、金屬碳化物載體、金屬氮化物載體、金屬磷化物載體、金屬硫化物載體、碳載體中的至少一種；
7、和/或，所述雜原子包括碳、氮、氧、硫、氯、磷中的至少一種。
8、優(yōu)選的，所述金屬的位點(diǎn)密度為1～256個(gè)/25nm2；
9、所述金屬載體包括pt、au、ag、pd、rh中的至少一種；
10、所述金屬氧化物載體包括ceo2、al2o3、cr2o3、tio2中的至少一種；
11、所述金屬碳化物載體包括wc、vc、zrc、tac、sic、b4c中的至少一種；
12、所述金屬氮化物載體包括tan、aln中的至少一種；
13、所述碳載體包括石墨、碳納米管、石墨炔、石墨烯、富勒烯、碳顆粒中的至少一種。
14、第二方面，本專利技術(shù)還提供了一種所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，包括以下步驟：
15、將載體加入到水中，混合，得到懸浮液；
16、將堿性物質(zhì)、有機(jī)溶劑均加入至懸浮液中，攪拌，得到混合液；
17、將含有聚合物單體與金屬鹽的混合溶液加入到混合液中，反應(yīng)，固液分離，得到沉淀產(chǎn)物，干燥；
18、將干燥的沉淀產(chǎn)物與碳氮化合物混合后于惰性氣氛環(huán)境下熱解，得到位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑；
19、其中，所述載體為高熱穩(wěn)定性載體，所述載體在300～1200℃溫度下熱解損失為0.1wt％～90wt％。
20、優(yōu)選的，將載體加入到水中之前還包括向水中加入有機(jī)溶劑，所述有機(jī)溶劑與水的體積比為(1～100):(1～3)。
21、優(yōu)選的，所述堿性物質(zhì)包括氨水溶液、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液、氫氧化鈣、氫氧化鋇中的至少一種；
22、和/或，所述有機(jī)溶劑包括甲醇、乙醇、丙三醇、乙腈、丙酮、氯仿、吡啶、n-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺中的至少一種；
23、和/或，所述聚合物單體包括苯胺類單體、吡咯類單體、噻吩類單體、吲哚類單體、吡啶類單體、咔唑類單體、多巴胺類單體、對苯乙炔類單體中的至少一種；
24、和/或，所述金屬鹽包括硫酸金屬鹽、硝酸金屬鹽、次氯酸金屬鹽、氯酸金屬鹽、高氯酸金屬鹽、氟化金屬鹽、乙酸金屬鹽、三氟乙酸金屬鹽、三氟甲烷磺酸金屬鹽、甲烷磺酸金屬鹽、對甲苯磺酸金屬鹽、氯金屬酸鹽中的至少一種；
25、所述金屬鹽中金屬包括銅、鈷、鋁、鐵、錳、銦、鎳、錫、銀、鈀、鉑、金中的至少一種；
26、和/或，所述碳氮化合物包括尿素、雙氰胺、三聚氰胺、硫脲、氨基酸中的至少一種。
27、優(yōu)選的，所述熱解溫度為300～1200℃、時(shí)間為0.1～72h。
28、優(yōu)選的，所述含有聚合物單體與金屬鹽的混合溶液中金屬鹽的濃度為0.1～10mg/ml；
29、和/或，所述含有聚合物單體與金屬鹽的混合溶液中聚合物單體的濃度為10～30mg/ml；
30、和/或，所述將干燥的沉淀產(chǎn)物與碳氮化合物混合的步驟中干燥的沉淀產(chǎn)物與碳氮化合物的質(zhì)量比為1:(1～100)。
31、優(yōu)選的，所述熱解包括：將干燥的沉淀產(chǎn)物與碳氮化合物混合后于惰性氣氛環(huán)境下，先于0～40℃下保溫0.5～1h，然后以1～50℃/min升溫至300～1200℃并保溫0.1～72h。
32、所述惰性氣氛環(huán)境為充滿惰性氣體的環(huán)境，所述惰性氣體包括氮?dú)狻⒑狻⒛蕷狻鍤狻㈦礆狻㈦瘹庵械闹辽僖环N。
33、優(yōu)選的，將含有聚合物單體與金屬鹽的混合溶液加入到混合液中，反應(yīng)的步驟中，反應(yīng)溫度為20～30℃、時(shí)間為20～30h。
34、優(yōu)選的，包括以下步驟：
35、將載體、有機(jī)溶劑加入到水中，混合，得到懸浮液；
36、將堿性物質(zhì)、有機(jī)溶劑均加入至懸浮液中，攪拌，得到混合液；
37、將含有聚合物單體與金屬鹽的混合溶液加入到混合液中，反應(yīng)，固液分離，得到沉淀產(chǎn)物，干燥；
38、將干燥的沉淀產(chǎn)物與碳氮化合物混合后于惰性氣氛環(huán)境下熱解，得到位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑；
39、其中，所述載體為石墨片，所述金屬鹽為銅鹽，所述聚合物單體為鹽酸多巴胺，所述堿性物質(zhì)為氨水；氨水的質(zhì)量濃度為25～32％；
40、所述混合溶液的配置方法為：將鹽酸多巴胺、銅鹽加入至水中得到混合溶液；
41、將載體、第一有機(jī)溶劑加入到水的步驟中，所述載體、有機(jī)溶劑、水的質(zhì)量比為(0.05～0.2):(3～7):(40～50)；
42、將堿性物質(zhì)、有機(jī)溶劑均加入至懸浮液的步驟中，所述堿性物質(zhì)、第一有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為(0.88～0.92):(14～18)；
43、將鹽酸多巴胺、銅鹽加入至水的步驟中，所述鹽酸多巴胺、銅鹽、水的質(zhì)量比為(0.1～0.3):(0.02～0.08):(3～7)；
44、所述載體、堿性物質(zhì)、鹽酸多巴胺的質(zhì)量比為(0.05～0.2):(0.88～0.92)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑，其特征在于，包括雜原子雜化的載體以及金屬，所述金屬以單原子位點(diǎn)負(fù)載在載體上；
2.如權(quán)利要求1所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑，其特征在于，所述金屬包括銅、鈷、鋁、鐵、錳、銦、鎳、錫、銀、鈀、鉑、金中的至少一種；
3.如權(quán)利要求2所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑，其特征在于，所述金屬的位點(diǎn)密度為1～256個(gè)/25nm2；
4.一種如權(quán)利要求1～3任一所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
5.如權(quán)利要求4所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，其特征在于，將載體加入到水中之前還包括向水中加入有機(jī)溶劑，所述有機(jī)溶劑與水的體積比為(1～100):(1～3)。
6.如權(quán)利要求5所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述堿性物質(zhì)包括氨水溶液、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液、氫氧化鈣、氫氧化鋇中的至少一種；
7.如權(quán)利要求4所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的
8.如權(quán)利要求4所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述含有聚合物單體與金屬鹽的混合溶液中金屬鹽的濃度為0.1～10mg/mL；
9.如權(quán)利要求7所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述熱解包括：將干燥的沉淀產(chǎn)物與碳氮化合物混合后于惰性氣氛環(huán)境下，先于0～40℃下保溫0.5～1h，然后以1～50℃/min升溫至300～1200℃并保溫0.1～72h。
10.如權(quán)利要求4所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，其特征在于，將含有聚合物單體與金屬鹽的混合溶液加入到混合液中，反應(yīng)的步驟中，反應(yīng)溫度為20～30℃、時(shí)間為20～30h。
11.如權(quán)利要求5～10任一所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
12.一種氣體擴(kuò)散電極，其特征在于，包括基底以及負(fù)載在所述基底上催化劑，所述催化劑為權(quán)利要求1～3任一所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑或權(quán)利要求4～11任一所述的制備方法制備得到的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑。
13.一種如權(quán)利要求1～3任一所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑或權(quán)利要求4～11任一所述的制備方法制備得到的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑或權(quán)利要求12所述的氣體擴(kuò)散電極在CO2電催化還原反應(yīng)中的應(yīng)用。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑，其特征在于，包括雜原子雜化的載體以及金屬，所述金屬以單原子位點(diǎn)負(fù)載在載體上；
2.如權(quán)利要求1所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑，其特征在于，所述金屬包括銅、鈷、鋁、鐵、錳、銦、鎳、錫、銀、鈀、鉑、金中的至少一種；
3.如權(quán)利要求2所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑，其特征在于，所述金屬的位點(diǎn)密度為1～256個(gè)/25nm2；
4.一種如權(quán)利要求1～3任一所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
5.如權(quán)利要求4所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，其特征在于，將載體加入到水中之前還包括向水中加入有機(jī)溶劑，所述有機(jī)溶劑與水的體積比為(1～100):(1～3)。
6.如權(quán)利要求5所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述堿性物質(zhì)包括氨水溶液、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液、氫氧化鈣、氫氧化鋇中的至少一種；
7.如權(quán)利要求4所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述熱解溫度為300～1200℃、時(shí)間為0.1～72h。
8.如權(quán)利要求4所述的位點(diǎn)密度可調(diào)的金屬基單原子催化劑...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張小龍，黎琳波，陳皓輝，成會明，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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