CN111659423A - 一种钴碲双原子位点催化剂的制备方法及应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钴碲双原子位点催化剂的制备方法及应用方法,所述方法包括如下步骤:该催化剂的制备采用空间限域‑刻蚀‑热解策略,包含三个步骤:(1)利用金属有机框架材料(ZIF‑8)的分子孔道作为“笼子”封装和锚定Te前驱体,实现其均匀的空间分布;(2)利用金属前驱体对框架材料进行刻蚀和离子交换,实现金属前驱体的原子级分散;(3)利用高温热解方法处理移除配体并碳化,通过衍生的碳氮框架材料稳定Co、Te原子,防止其迁移团聚,从而实现Co/Te双原子位点催化剂的合成;其中所述前驱体为Te粉和乙酰丙酮钴/四苯基卟啉钴/维生素B12/硝酸钴。该方法工艺简单,条件温和,所得Co/Te双原子位点催化剂具有丰富的微/介孔结构,比表面积大于1000m2/g,且活性位点呈原子性分散,能够表现出优异的电催化制氢和氧还原性能,可作为高效的电解(海)水和金属‑空气电池催化剂。

Description

一种钴碲双原子位点催化剂的制备方法及应用方法
技术领域
本发明属于电催化技术领域,涉及一种钴碲双原子位点催化剂的制备方法及其在电解水制氢与氧还原反应中的应用。
背景技术
电化学氧还原反应(ORR)和析氢反应(HER)是燃料电池、水分解和金属空气电池的两个关键组成部分。探索高效、低成本的电催化剂,用于促进ORR及HER反应动力学以提高其效率,对可再生能源技术具有重要的应用前景。贵金属铂基催化剂是目前公认的催化氧还原反应(ORR)和析氢反应(HER)的优良电催化剂,但其储量少、成本高,严重制约了其大规模应用。近年来,过渡金属(Fe、Co、Ni、Mo和W)基催化剂因其良好的电催化性能而被广泛研究。为了进一步提高催化剂的催化性能,一种常见的策略是将催化剂尺寸缩小以产生更多暴露的活性中心。
单原子催化剂有最大原子利用率和最多暴露的活性位,并表现出优异的催化性能,近年来在多相催化中引起广泛关注。其中钴单原子催化剂已经成为现在的研究热点,例如,Yin等人(Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,10800–10805)利用锌钴双金属MOF作为前驱体,通过自上而下策略,在高温惰性气氛下,Co2+被周围石墨化的C逐渐还原,Zn2+在高于其沸点的温度下挥发,从而制备出高载量的Co单原子活性位点催化剂,其表现出优异的催化活性和稳定性。
基于单原子催化剂,若想进一步提升催化活性,一方面可以探寻不同的金属中心原子对于催化性能的影响;另一方面可以通过整合多种金属形成双原子或多原子来实现对于整体催化活性的提升,在这些情况下,某种单原子可能不会直接参与反应过程,而主要作为辅助物种来优化其他单原子的电子结构和配位结构。研究表明,双原子的协同作用不仅提高了催化活性,而且有利于提高稳定性;此外,引入多个孤立的金属原子还可以扩展应用范围。因此,双金属活性中心的设计和不同单原子之间协同效应的研究是未来的研究方向。
发明内容
鉴于现有的单原子催化剂的上述缺陷,本发明的目的之一是提供一种具有优异的电催化制氢及氧还原性能双原子位点电催化剂的制备方法以及应用方法,。
本发明的技术方案如下:
本发明之一是提供一种钴碲双原子位点催化剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)将Te粉、硝酸锌的混合溶液与有机配体溶液混合搅拌,经离心干燥得到固体粉末;
(2)将步骤(1)中的固体粉末与金属前驱体溶液混合搅拌进行刻蚀和离子交换,经离心干燥得到固体粉末;所述金属前驱体为乙酰丙酮钴(C10H14CoO4)、四苯基卟啉钴(C44H28CoN4)、维生素B12(C63H88CoN14O14P)和硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)中任一种;
(3)将步骤(2)中所得固体粉末在惰性气氛保护下进行高温热解从而移除配体并碳化,得到所述双原子位点催化剂。
进一步的,所述步骤(1)中混合溶液以50~150mL甲醇为溶剂,其中Te粉为0.2~2g,硝酸锌用量4~6g;所述有机配体溶液以50~150mL甲醇为溶剂,有机配体为二甲基咪唑,所述二甲基咪唑与硝酸锌的摩尔比为2~6:1。
进一步的,所述金属前驱体溶液以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,所述金属前驱体溶液中N,N-二甲基甲酰胺用量为50~150mL、金属前驱体用量为20~200mg。
进一步的,所述步骤(1)和步骤(2)中的混合搅拌时间为1~24h;所述步骤(1)和步骤(2)中的干燥温度为40~60℃、干燥时间为6~10h。
进一步的,所述步骤(3)高温热解是在惰性气氛中于600~1000℃下进行退火处理1~4h。
本发明之二是提出上述制备方法得到的钴碲双原子位点催化剂。
本发明之三是提出上述钴碲双原子位点催化剂的应用,即用作析氢反应和电化学氧还原反应催化剂。
进一步的,所述钴碲双原子位点催化剂用于电解水析氢时pH为1~14。
进一步的,所述钴碲双原子位点催化剂的电催化反应在0.5M H2SO4、1.0M KOH、PBS电解液中进行,所述钴碲双原子位点催化剂在工作电极上的负载量为0.4~0.8mg/cm2
进一步的,所述的钴碲双原子位点催化剂用于电解海水制氢和锌-空气电池。
本发明的钴碲双原子位点催化剂以金属有机框架ZIF-8为模板,通过高温热解制备得到了双原子位点催化剂,Co/Te双原子位点催化剂的电催化性能优于钴单原子位点催化剂,该催化剂具有丰富的微/介孔结构,比表面积大于1000m2/g,且活性位点呈原子性分散等优点;具有优异的HER和ORR多功能催化性能,可在宽pH范围内(pH=1~14)实现高效析氢,可至少保持24h以上的高稳定性,并且可用作电解海水制氢催化剂和锌-空气电池催化剂。本发明提供的制备方法工艺简单,成本低廉,条件温和,易于大规模生产。
附图说明
图1为本发明实施例2提供的催化剂的TEM图。
图2为本发明实施例2提供的催化剂的HAADF-STEM-EDS mapping图。
图3为本发明实施例2提供的催化剂的球差电镜图。
图4为本发明实施例1~6提供的催化剂在0.5M H2SO4中的HER极化曲线图。
图5为本发明实施例3提供的催化剂在0.5M H2SO4中的电流密度随时间变化图。
图6为本发明实施例1~6提供的催化剂在1M KOH中的HER极化曲线图。
图7为本发明实施例3提供的催化剂在1M KOH中的电流密度随时间变化图。
图8为本发明实施例2~6提供的催化剂在PBS电解液中的HER极化曲线图。
图9为本发明实施例3提供的催化剂在PBS电解液中的电流密度随时间变化图。
图10为本发明实施例2、3提供的催化剂在海水中的HER极化曲线图。
图11为本发明实施例3提供的催化剂在海水中的电流密度随时间变化图。
图12为本发明实施例2~6提供的催化剂的ORR极化曲线图。
图13为本发明实施例2提供的催化剂组装锌-空气电池的能量密度曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限定本发明。下例实施例中所使用的原料、试剂等,如无特殊说明,均为可从常规市场等商业途径得到。
实施例1
将5.58g Zn(NO3)2·6H2O和0.5g Te粉溶于150mL甲醇中,形成溶液A。将6.16g二甲基咪唑溶于150mL甲醇中以形成澄清溶液B。然后,将溶液B慢慢倒入溶液A中。在室温下混合并搅拌24h后,将沉淀物离心,并用甲醇洗涤几次,然后在60℃下干燥得到灰色固体粉末,记为Te1@ZIF-8。
将上述Te1@ZIF-8溶于50mL DMF中,形成溶液C,将50mg四苯基卟啉钴溶于50mLDMF中形成溶液D,然后将溶液D缓慢加到溶液C中,在室温下混合并搅拌进行刻蚀和离子交换24h后,将沉淀物离心,并用乙醇洗涤数次,然后在60℃下干燥得到灰褐色固体粉末,记为Co0-Te1@ZIF-8。
将上述Co0-Te1@ZIF-8在氮气气氛中于920℃下高温热解2h,移除配体并碳化得到双原子位点催化剂,记为Co0-Te1/N-C。
实施例2
将5.58g Zn(NO3)2·6H2O和0.5g Te粉溶于150mL甲醇中,形成溶液A。将6.16g二甲基咪唑溶于150mL甲醇中以形成澄清溶液B。然后,将溶液B慢慢倒入溶液A中。在室温下混合并搅拌24h后,将沉淀物离心,并用甲醇洗涤几次,然后在60℃下干燥得到灰色固体粉末,记为Te1@ZIF-8。
将上述Te1@ZIF-8溶于50ml DMF中,形成溶液C,将100mg四苯基卟啉钴溶于50mlDMF中形成溶液D,然后将溶液D缓慢加到溶液C中,在室温下混合并搅拌进行刻蚀和离子交换24h后,将沉淀物离心,并用乙醇洗涤数次,然后在60℃下干燥得到灰褐色固体粉末,记为Co-Te1@ZIF-8。
将上述Co-Te1@ZIF-8在氮气气氛中于920℃下高温热解2h,移除配体并碳化得到双原子位点催化剂,记为Co-Te1/N-C。
实施例3
将5.58g Zn(NO3)2·6H2O和1g Te粉溶于150mL甲醇中,形成溶液A。将6.16g二甲基咪唑溶于150mL甲醇中以形成澄清溶液B。然后,将溶液B慢慢倒入溶液A中。在室温下混合并搅拌24h后,将沉淀物离心,并用甲醇洗涤几次,然后在60℃下干燥得到灰色固体粉末,记为Te2@ZIF-8。
将上述Te2@ZIF-8溶于50ml DMF中,形成溶液C,将100mg四苯基卟啉钴溶于50mlDMF中形成溶液D,然后将溶液D缓慢加到溶液C中,在室温下混合并搅拌进行刻蚀和离子交换24h后,将沉淀物离心,并用乙醇洗涤数次,然后在60℃下干燥得到灰褐色固体粉末,记为Co-Te2@ZIF-8。
将上述Co-Te2@ZIF-8在氮气气氛中于920℃下高温热解2h,移除配体并碳化得到双原子位点催化剂,记为Co-Te2/N-C。
实施例4
作为对比样品,制备钴单原子催化剂(Co SAs/N-C),具体制备方法如下:
将5.58g Zn(NO3)2·6H2O和5.46g Co(NO3)2·6H2O溶于150mL甲醇中,形成溶液A。将6.16g二甲基咪唑溶于150mL甲醇中以形成澄清溶液B。然后,将溶液B慢慢倒入溶液A中。在室温下混合并搅拌24h后,将沉淀物离心,并用甲醇洗涤几次,然后在60℃下干燥得到紫色固体粉末,记为ZnCo@ZIF-8。
将上述ZnCo@ZIF-8在氮气气氛中于920℃下高温热解2h,移除配体并碳化得到CoSAs/N-C催化剂。
实施例5
作为对比样品,制备碲单原子催化剂(Te SAs/N-C),具体制备方法如下:
将5.58g Zn(NO3)2·6H2O和0.5g Te粉溶于150mL甲醇中,形成溶液A。将6.16g二甲基咪唑溶于150mL甲醇中以形成澄清溶液B。然后,将溶液B慢慢倒入溶液A中。在室温下混合并搅拌24h后,将沉淀物离心,并用甲醇洗涤几次,然后在60℃下干燥得到灰色固体粉末,记为ZnTe@ZIF-8。
将上述ZnTe@ZIF-8在氮气气氛中于920℃下高温热解2h,移除配体并碳化得到TeSAs/N-C催化剂。
实施例6
作为对比样品,制备NC催化剂,具体制备方法如下:
将5.58g Zn(NO3)2·6H2O溶于150mL甲醇中,形成溶液A。将6.16g二甲基咪唑溶于150mL甲醇中以形成澄清溶液B。然后,将溶液B慢慢倒入溶液A中。在室温下混合并搅拌24h后,将沉淀物离心,并用甲醇洗涤几次,然后在60℃下干燥得到白色固体粉末,记为ZIF-8。
将上述ZIF-8在氮气气氛中于920℃下高温热解2h,移除配体并碳化得到NC催化剂。
实施例7
HER和ORR反应中的应用
将实施例1~6制备的催化剂及购买的20%Pt/C催化剂各取5mg,分别分散于20μLNafion和1mL乙醇混合液中,超声混合均匀后,取20μL电极分散液分别涂于直径4mm的玻碳电极上,待完全干燥形成均匀涂膜后,测试其在0.5M H2SO4中的HER电催化性能,性能测试以Ag/AgCl为参比电极,碳棒为对电极。如附图4所示,相对于对比样品Co SAs/N-C、Te SAs/N-C及NC催化剂,Co/Te双原子位点催化剂表现出更低的过电位,说明在酸性条件下Co/Te双原子位点催化剂有更高效的电催化析氢性能。另外,Co/Te双原子位点催化剂表现出优异的稳定性,至少可保持24h以上(附图5)。
将实施例1~6制备的催化剂及购买的20%Pt/C催化剂各取5mg,分别分散于20μLNafion和1mL乙醇混合液中,超声混合均匀后,取20μL电极分散液分别涂于直径4mm的玻碳电极上,待完全干燥形成均匀涂膜后,测试其在1M KOH中的HER电催化性能,性能测试以饱和甘汞为参比电极,碳棒为对电极。如附图6所示,相对于对比样品Co SAs/N-C、Te SAs/N-C及NC催化剂,Co/Te双原子位点催化剂表现出更低的过电位,说明在碱性条件下Co/Te双原子位点催化剂有更高效的电催化析氢性能。另外,Co/Te双原子位点催化剂表现出优异的稳定性,至少可保持24h以上(附图7)。
将实施例2~6制备的催化剂及购买的20%Pt/C催化剂各取5mg,分别分散于20μLNafion和1mL乙醇混合液中,超声混合均匀后,取20μL电极分散液分别涂于直径4mm的玻碳电极上,待完全干燥形成均匀涂膜后,测试其在PBS中的HER电催化性能,性能测试以Ag/AgCl为参比电极,碳棒为对电极。如附图8所示,相对于对比样品Co SAs/N-C、Te SAs/N-C及NC催化剂,Co/Te双原子位点催化剂表现出更低的过电位,说明在中性条件下Co/Te双原子位点催化剂有更高效的电催化析氢性能。另外,Co/Te双原子位点催化剂表现出优异的稳定性,至少可保持24h以上(附图9)。
将实施例2、3制备得到的催化剂及购买的20%Pt/C催化剂各取5mg,分别分散于20μL Nafion和1mL乙醇混合液中,超声混合均匀后,取200μL电极分散液涂于1cm2的碳布上,待完全干燥后,测试其在海水中的HER电催化性能,性能测试以饱和甘汞为参比电极,碳棒为对电极。如附图10所示,Co/Te双原子位点催化剂表现出较低的过电位,说明其可用于高效电解海水制氢。另外,Co/Te双原子位点催化剂表现出优异的稳定性,至少可保持24h以上(附图11)。
将实施例2~6制备得到的催化剂及购买的20%Pt/C催化剂各取5mg,分别分散于20μL Nafion和1mL乙醇混合液中,超声混合均匀后,取20μL电极分散液分别涂于直径5mm的玻碳电极上,待完全干燥后,采用旋转圆盘电极装置测试其在0.1M KOH中1600转速下的ORR电催化性能,性能测试以饱和甘汞为参比电极,碳棒为对电极。如附图12所示,相对于对比样品Co SAs/N-C及Te SAs/N-C催化剂,Co/Te双原子位点催化剂表现出更高的起始电位和半波电位,说明其有更优异电催化ORR性能。相比于Pt/C催化剂,Co/Te双原子位点催化剂在锌-空气电池中表现出更高的能量密度(附图13)。
上述实施例对本发明的进行了详细说明,显然,本发明并不局限于所述的实施例,本领域的普通技术人员可根据本发明公开的技术做出修改、等同替换或者改进等,以上均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钴碲双原子位点催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将Te粉、硝酸锌的混合溶液与有机配体溶液混合搅拌,经离心干燥得到固体粉末;
(2)将步骤(1)中的固体粉末与金属前驱体溶液混合搅拌进行刻蚀和离子交换,经离心干燥得到固体粉末;所述金属前驱体为乙酰丙酮钴、四苯基卟啉钴、维生素B12和硝酸钴中任一种;
(3)将步骤(2)中所得固体粉末在惰性气氛保护下进行高温热解从而移除配体并碳化,得到所述双原子位点催化剂。
2.根据权利要求1所述的钴碲双原子位点催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中混合溶液以50~150mL甲醇为溶剂,其中Te粉为0.2~2g,硝酸锌用量4~6g;所述有机配体溶液以50~150mL甲醇为溶剂,有机配体为二甲基咪唑,所述二甲基咪唑与硝酸锌的摩尔比为2~6:1。
3.根据权利要求1所述的钴碲双原子位点催化剂的制备方法,其特征在于,所述金属前驱体溶液以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,所述金属前驱体溶液中N,N-二甲基甲酰胺用量为50~150mL、金属前驱体用量为20~200mg。
4.根据权利要求1所述的钴碲双原子位点催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)和步骤(2)中的混合搅拌时间为1~24h;所述步骤(1)和步骤(2)中的干燥温度为40~60℃、干燥时间为6~10h。
5.根据权利要求1所述的钴碲双原子位点催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)高温热解是在惰性气氛中于600~1000℃下进行退火处理1~4h。
6.一种钴碲双原子位点催化剂,其特征在于,由权利要求1-6任一项所述的双原子位点催化剂的制备方法制备得到。
7.根据权利要求6所述钴碲双原子位点催化剂的应用,其特征在于,所述钴碲双原子位点催化剂用作析氢反应和电化学氧还原反应催化剂。
8.根据权利要求7所述钴碲双原子位点催化剂的应用,其特征在于,所述钴碲双原子位点催化剂用于电解水析氢时pH为1~14。
9.根据权利要求7所述钴碲双原子位点催化剂的应用,其特征在于,所述钴碲双原子位点催化剂的电催化反应在0.5M H2SO4、1.0M KOH、PBS电解液中进行,所述钴碲双原子位点催化剂在工作电极上的负载量为0.4~0.8mg/cm2
10.根据权利要求7所述钴碲双原子位点催化剂的应用,其特征在于,所述的钴碲双原子位点催化剂用于电解海水制氢和锌-空气电池。
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