CN112736259A - 一种通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法 - Google Patents
一种通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法,首次以介孔二氧化硅作为限域空间外壳,以ZIF‑L(Zn)作为载体制备了限域空间的金属单原子氧还原催化剂。本发明通过限域空间制备的单原子催化剂不仅能够维持原有的宏观的二维叶子状形貌,实现更大的比表面积,从而提升反应过程中与反应物的接触面积;同时又可以限制金属原子的移动,阻止金属原子的团聚,增强金属原子的分散性,最终以单原子的形式存在。这类型催化剂既提升了催化剂的稳定性,又提高了金属原子的利用率,形成了更多的活性位点,在电催化氧气还原领域具有潜在的应用前景。本发明制备方法简单,所用原料廉价易得,适合工业化大规模生产。
Description
技术领域
本发明属于电催化氧气还原催化剂技术领域,具体涉及一种通过限域空间制备单原子催化剂的方法,该催化剂在三电极体系中应用于电催化氧气还原中展现出优异的催化活性和良好的稳定性。
背景技术
随着工业的发展,对能源的要求越来越多,造成的环境问题也越来越严重,寻求高效清洁的二次能源显得尤为重要,目前清洁能源技术在不断发展提高,其中太阳能、风能、电能等技术应用广泛。这些技术既满足了对能源的大量需求,又降低了污染物的排放,风能与太阳能的生产具有间歇性,无法根据需求进行调控。而电能可以通过电池储存起来,根据我们的生产生活需要随时供应,可以解决这一重大难题。目前常见的无污染、可以进行持续性能源转换和储存技术包括燃料电池、金属空气电池等。氧气还原反应作为燃料电池与金属空气电池的阴极反应,起到至关重要的作用,寻求高效稳定的催化剂是亟待解决的科学问题。
氧气还原反应是一个涉及多电子且动力学缓慢的过程,目前稀有的贵金属例如Pt、Ir等展现出良好的催化性能,但是由于其稀缺,导致价格昂贵,极大的阻碍了他们的实际应用。近年来,具有低成本、高催化活性、高稳定性的廉价过渡金属及其氮、氧化物被用于电催化研究中。金属有机骨架材料(Metal-organic frameworks,MOFs)是由金属离子、金属簇和有机配体通过配位作用形成的高度结晶材料,如沸石咪唑酯骨架材料(Zeoliteimidazolate frameworks,ZIFs)作为MOFs的一个分支,其不但具有大的比表面积、可控的孔道结构等优势,由于其含有丰富的C、N元素,高温碳化后,可以为金属提供丰富的C、N微环境,提高其催化效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电催化氧气还原的限域空间金属单原子催化剂制备方法,通过以SiO2作为限域空间外壳,既提升反应过程中与反应物的接触面积又阻止了金属原子的团聚,从而展现出优异的活性和稳定性,以满足有关领域应用和发展的要求。
针对上述目的,本发明采用的技术方案由下述步骤组成:
1、ZIF-L(Zn)负载金属源
将2-甲基咪唑溶解于去离子水中,形成溶液A;将六水硝酸锌和金属源溶解于去离子水中,形成溶液B;将溶液A加入溶液B中,室温搅拌2~10小时后,离心洗涤,将沉淀物干燥,得到金属源@ZIF-L(Zn);其中所述金属源为三乙酰丙酮铁(Fe(acac)3)、硝酸铁、氯化铁、乙酸铁、乙酰丙酮钴、硝酸钴、乙酸钴、氯化钴、硝酸镍、硝酸铜、氯铂酸、氯化钌、硝酸银中任意一种。
2、包覆SiO2
将步骤1中的金属源@ZIF-L(Zn)分散于去离子水,然后分别加入十六烷基三甲基溴化铵、NaOH和硅酸四乙酯甲醇溶液,室温搅拌0.5~4小时后,将混合溶液进行离心洗涤,干燥,得到金属源@ZIF-L(Zn)@SiO2。
3、制备M-N-C@SiO2
将步骤2的金属源@ZIF-L(Zn)@SiO2置于管式炉中,在氮气流中加热到800~1100℃,并保持2~8小时,获得M-N-C@SiO2,其中M代表Fe、Co、Ni、Cu、Pt、Ru、Ag中任意一种。
4、除SiO2
将步骤3的M-N-C@SiO2加入到2~4mol/L NaOH水溶液中,在50~100℃下回流2~8小时,用去离子水离心洗涤至上清液pH=6~8后,将0.5~2mol/L H2SO4水溶液倒入沉淀物中,在50~100℃下回流12~24小时,用去离子水离心洗涤至上清液pH=6~8,干燥后置于管式炉中,在氮气流中加热到800~1100℃,并保持1~4小时,获得单原子M-N-C催化剂。
上述步骤1中,优选2-甲基咪唑与硝酸锌、金属源的摩尔比为8:1:0.005~0.02。
上述步骤2中,优选金属源@ZIF-L(Zn)、十六烷基三甲基溴化铵、NaOH和硅酸四乙酯的质量比为1:0.2~0.3:0.09~0.12:1.8~2.0。
上述步骤3中,优选将步骤2的金属源@ZIF-L(Zn)@SiO2置于管式炉中,在氮气流中加热到900~1000℃,并保持2~4小时。进一步优选所述加热的升温速率2~5℃/min。
上述步骤4中,优选将步骤3的M-N-C@SiO2加入到3mol/L NaOH水溶液中,在70~80℃下回流3~5小时。
上述步骤4中,优选将1mol/L H2SO4水溶液倒入沉淀物中,在70~80℃下回流18~20小时。
上述步骤4中,优选在氮气流中加热到900~1000℃,并保持2~3小时。进一步优选所述加热的升温速率为2~5℃/min。
本发明的有益效果如下:
1、本发明以廉价易得的叶子状ZIF-L(Zn)作为载体,为金属活性位提供一个丰富的C、N微环境;以各类型金属盐为金属源;以介孔SiO2作为限域空间的外壳,既可以维持原有的宏观的二维叶子状形貌,提升反应过程中与反应物的接触面积;同时又可以限制金属原子的移动,阻止金属原子的团聚,增强金属原子的分散性,形成单原子催化位点,还可以诱导C、N基催化剂内部产生介孔,提升氧气还原过程中的物质转移过程,有效的提高了金属原子的利用率,提高了电化学性能。
2、与商业Pt/C催化剂相比,本发明通过限域空间制备的金属单原子催化剂展现出优异的氧气还原活性与稳定性,可应用于燃料电池以及金属电池等的阴极催化剂。
3、本发明制备方法简单、快速、绿色环保,适用于工业大规模生产。
附图说明
图1是实施例1制备的Fe(acac)3@ZIF-L(Zn)的高倍SEM图谱。
图2是实施例1制备的Fe(acac)3@ZIF-L(Zn)@SiO2的高倍SEM图谱。
图3是实施例1制备的Fe-N-C@SiO2的高倍SEM图谱。
图4是实施例1制备的Fe SAs/N-C的高倍SEM图谱。
图5是实施例1制备的Fe SAs/N-C的球差校正STEM图谱。
图6是实施例1制备的Fe SAs/N-C和商用Pt/C分别作为催化剂在pH=13的KOH水溶液中的线性扫描伏安曲线。
图7是实施例1制备的Fe SAs/N-C和商用Pt/C分别作为催化剂在pH=13的KOH水溶液中于恒电位0.664V时的计时电流曲线(相对于RHE)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明,但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
1、ZIF-L(Zn)负载Fe(acac)3
将1.97g(24mmol)2-甲基咪唑溶解于60mL去离子水中,形成溶液A。将0.89g(3mmol)Zn(NO3)2·6H2O和10mg(0.028mmol)Fe(acac)3溶解于60mL去离子水中,形成溶液B。将溶液A加入溶液B中,室温搅拌4小时后,用去离子水离心洗涤,将橙色沉淀物70℃干燥后得到Fe(acac)3@ZIF-L(Zn)。由图1可见,所得Fe(acac)3@ZIF-L(Zn)呈现叶子状形貌。
2、包覆SiO2
将300mg Fe(acac)3@ZIF-L(Zn)分散于120mL去离子水,然后加入3mL 25mg/mL十六烷基三甲基溴化铵水溶液、4.8mL 6mg/mL NaOH水溶液和3.6mL硅酸四乙酯(TEOS)甲醇溶液(0.6mL TEOS溶于3mL甲醇),室温搅拌1小时后,将混合溶液用去离子水进行离心洗涤,70℃干燥,得到Fe(acac)3@ZIF-L(Zn)@SiO2。由图2可见,包覆SiO2后叶子状形貌无明显变化。
3、制备Fe-N-C@SiO2
将步骤2的Fe(acac)3@ZIF-L(Zn)@SiO2置于管式炉中,在氮气流中以5℃/min的速率加热到900℃,并保持2小时,获得黑色粉末Fe-N-C@SiO2。由图3可见,碳化后叶子状形貌的ZIF-L(Zn)依旧可以保持,并且没有金属颗粒团聚在一起。
4、除SiO2
将100mg Fe-N-C@SiO2加入到50mL 3mol/L NaOH水溶液中,在70℃下回流4小时,用去离子水离心洗涤至上清液pH=7后,将50mL 1mol/L H2SO4水溶液倒入沉淀物中,在70℃下回流20小时,用去离子水离心洗涤至上清液pH=7,以洗去介孔SiO2,70℃干燥后置于管式炉中,在氮气流中以5℃/min的速率加热到900℃,并保持2小时,获得的黑色粉末即为单原子Fe-N-C催化剂(记为Fe SAs/N-C)。由图4可见,洗去SiO2后,依旧可以保持叶子状形貌,并且叶子表面形成大量介孔。从图5可以明显看到Fe以单原子形式存在,如图中箭头所指。
实施例2
1、ZIF-L(Zn)负载Co(NO3)2
将1.97g(24mmol)2-甲基咪唑溶解于60mL去离子水中,形成溶液A。将0.89g(3mmol)Zn(NO3)2·6H2O和8mg(0.027mmol)Co(NO3)2·6H2O溶解于60mL去离子水中,形成溶液B。将溶液A加入溶液B中,室温搅拌4小时后,用去离子水离心洗涤,将橙色沉淀物70℃干燥后得到Co(NO3)2@ZIF-L(Zn)。
2、包覆SiO2
将300mg Co(NO3)2@ZIF-L(Zn)分散于120mL去离子水,然后加入3mL 25mg/mL十六烷基三甲基溴化铵水溶液、4.8mL 6mg/mL NaOH水溶液和3.6mL 硅酸四乙酯(TEOS)甲醇溶液(0.6mL TEOS溶于3mL甲醇),室温搅拌1小时后,将混合溶液用去离子水进行离心洗涤,70℃干燥,得到Co(NO3)2@ZIF-L(Zn)@SiO2。
3、制备Co-N-C@SiO2
将步骤2的Co(NO3)2@ZIF-L(Zn)@SiO2置于管式炉中,在氮气流中以3℃/min的速率加热到800℃,并保持3小时,获得黑色粉末Co-N-C@SiO2。
4、除SiO2
将100mg Co-N-C@SiO2加入到50mL 3mol/L NaOH水溶液中,在70℃下回流4小时,用去离子水离心洗涤至上清液pH=7后,将50mL 1mol/L H2SO4水溶液倒入沉淀物中,在70℃下回流20小时,用去离子水离心洗涤至上清液pH=7,以洗去介孔SiO2,70℃干燥后置于管式炉中,在氮气流中以3℃/min的速率加热到800℃,并保持3小时,获得的黑色粉末即为单原子Co-N-C催化剂。
实施例3
1、ZIF-L(Zn)负载H2PtCl6
将1.97g(24mmol)2-甲基咪唑溶解于60mL去离子水中,形成溶液A。将0.89g(3mmol)Zn(NO3)2·6H2O和4.8μL(0.028mmol)H2PtCl6溶解于60mL去离子水中,形成溶液B。将溶液A加入溶液B中,室温搅拌4小时后,用去离子水离心洗涤,将橙色沉淀物70℃干燥后得到H2PtCl6@ZIF-L(Zn)。
2、包覆SiO2
将300mg H2PtCl6@ZIF-L(Zn)分散于120mL去离子水,然后加入3mL 25mg/mL十六烷基三甲基溴化铵水溶液、4.8mL 6mg/mL NaOH水溶液和3.6mL硅酸四乙酯(TEOS)甲醇溶液(0.6mL TEOS溶于3mL甲醇),室温搅拌1小时后,将混合溶液用去离子水进行离心洗涤,70℃干燥,得到H2PtCl6@ZIF-L(Zn)@SiO2。
3、制备Pt-N-C@SiO2
将步骤2的H2PtCl6@ZIF-L(Zn)@SiO2置于管式炉中,在氮气流中以2℃/min的速率加热到900℃,并保持3小时,获得黑色粉末Pt-N-C@SiO2。
4、除SiO2
将100mg Pt-N-C@SiO2加入到50mL 3mol/L NaOH水溶液中,在70℃下回流5小时,用去离子水离心洗涤至上清液pH=7后,将50mL 1mol/L H2SO4水溶液倒入沉淀物中,在70℃下回流24小时,用去离子水离心洗涤至上清液pH=7,以洗去介孔SiO2,70℃干燥后置于管式炉中,在氮气流中以2℃/min的速率加热到900℃,并保持2小时,获得的黑色粉末即为单原子Pt-N-C。
为了证明本发明的有益效果,采用实施例1制备的Fe SAs/N-C作为催化剂滴涂在工作电极(面积为0.196cm-2的旋转圆盘电极)与参比电极Ag/AgCl、对电极石墨棒组成三电极体系,在pH=13的KOH水溶液中通过线性扫描伏安法(5mV/s)对氧气还原性能进行了测试,结果见图6。由图6可知,其氧气还原半波电势可以达到E1/2=0.907V,极限电流密度可达5.5mA/cm2,高于商用Pt/C催化剂的半波电势E1/2=0.874V,具有潜在的巨大商业化价值。此外,还通过以上的三电极体系测试了恒电位(0.664V)计时电流曲线,结果见图7。如图7所示,电解14小时后,电流密度可维持80%以上,比商用Pt/C催化剂更为稳定。
Claims (9)
1.一种通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法,其特征在于所述方法由下述步骤组成:
(1)ZIF-L(Zn)负载金属源
将2-甲基咪唑溶解于去离子水中,形成溶液A;将六水硝酸锌和金属源溶解于去离子水中,形成溶液B;将溶液A加入溶液B中,室温搅拌2~10小时后,离心洗涤,将沉淀物干燥,得到金属源@ZIF-L(Zn);其中所述金属源为三乙酰丙酮铁、硝酸铁、氯化铁、乙酸铁、乙酰丙酮钴、硝酸钴、乙酸钴、氯化钴、硝酸镍、硝酸铜、氯铂酸、氯化钌、硝酸银中任意一种;
(2)包覆SiO2
将步骤(1)中的金属源@ZIF-L(Zn)分散于去离子水,然后分别加入十六烷基三甲基溴化铵、NaOH和硅酸四乙酯甲醇溶液,室温搅拌0.5~4小时后,将混合溶液进行离心洗涤,干燥,得到金属源@ZIF-L(Zn)@SiO2;
(3)制备M-N-C@SiO2
将步骤(2)的金属源@ZIF-L(Zn)@SiO2置于管式炉中,在氮气流中加热到800~1100℃,并保持2~8小时,获得M-N-C@SiO2,其中M代表Fe、Co、Ni、Cu、Pt、Ru、Ag中任意一种;
(4)除SiO2
将步骤(3)的M-N-C@SiO2加入到2~4mol/L NaOH水溶液中,在50~100℃下回流2~8小时,用去离子水离心洗涤至上清液pH=6~8后,将0.5~2mol/L H2SO4水溶液倒入沉淀物中,在50~100℃下回流12~24小时,用去离子水离心洗涤至上清液pH=6~8,干燥后置于管式炉中,在氮气流中加热到800~1100℃,并保持1~4小时,获得单原子M-N-C催化剂。
2.根据权利要求1所述的通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法,其特征在于:步骤(1)中,所述2-甲基咪唑与硝酸锌、金属源的摩尔比为8:1:0.005~0.02。
3.根据权利要求1所述的通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法,其特征在于:步骤(2)中,所述金属源@ZIF-L(Zn)、十六烷基三甲基溴化铵、NaOH和硅酸四乙酯的质量比为1:0.2~0.3:0.09~0.12:1.8~2.0。
4.根据权利要求1所述的通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法,其特征在于:步骤(3)中,将步骤(2)的金属源@ZIF-L(Zn)@SiO2置于管式炉中,在氮气流中加热到900~1000℃,并保持2~4小时。
5.根据权利要求1或4所述的通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法,其特征在于:步骤(3)中,所述加热的升温速率为2~5℃/min。
6.根据权利要求1所述的通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法,其特征在于:步骤(4)中,将步骤(3)的M-N-C@SiO2加入到3mol/L NaOH水溶液中,在70~80℃下回流3~5小时。
7.根据权利要求1所述的通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法,其特征在于:步骤(4)中,将1mol/L H2SO4水溶液倒入沉淀物中,在70~80℃下回流18~20小时。
8.根据权利要求1所述的通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法,其特征在于:步骤(4)中,在氮气流中加热到900~1000℃,并保持2~3小时。
9.根据权利要求1或8所述的通过限域空间制备金属单原子电催化氧气还原催化剂的方法,其特征在于:步骤(4)中,所述加热的升温速率为2~5℃/min。
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