本發(fā)明涉及能源和新材料，尤其涉及一種碳-鐵-雜化碳催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氫作為一種清潔的替代能源載體，由于其環(huán)保特性和零碳排放的本質(zhì)特性，引起了廣泛關(guān)注。電化學(xué)水裂解由于開發(fā)過程簡單，污染低，優(yōu)于煤氣化和甲烷蒸餾改性等其他方法，被認(rèn)為是大規(guī)模制氫的一種有前途和可行的策略。

2、電化學(xué)裂解水由兩個相反的化學(xué)反應(yīng)組成：陰極析氫反應(yīng)(her)和陽極析氧反應(yīng)(oer)。通常，有效的水裂解需要優(yōu)異的電催化劑，這會改善緩慢的動力學(xué)、不滿意的過電位和較差的穩(wěn)定性。oer最廣泛使用的電催化劑是貴金屬基催化劑，例如鉑(pt)、銣(ru)、銥(ir)、pt/c、ruo2和iro2。然而，由于稀缺和成本高，這些貴金屬基材料的大規(guī)模生產(chǎn)受到限制。因此，目前已開發(fā)很多具有優(yōu)異oer性能的替代材料，這些催化劑在地球上儲量豐富且價格低廉。它們已被用于設(shè)計經(jīng)濟(jì)可行的催化劑，包括氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、碳化物、和磷酸鹽，并取得了顯著進(jìn)展。盡管設(shè)計了經(jīng)濟(jì)可行的催化劑，但與貴金屬催化劑相比，這些替代催化劑的實際性能必須得到改進(jìn)。過渡金屬單原子催化劑(tm-sac)因其獨特的孤立原子特性、豐富的活性中心、顯著的原子利用率和有效的不飽和配位環(huán)境而表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能。然而，與孤立單金屬中心的穩(wěn)定性、局部單原子活性位點的精確控制以及混合催化劑體系中活性位點的低利用率相關(guān)的問題一直困擾著高活性單原子催化劑(sac)的制備。特別是，單原子在電化學(xué)反應(yīng)中的有效性能與其原子結(jié)構(gòu)、局部微環(huán)境、單原子數(shù)量、配位原子數(shù)量及其在亞納米尺度上與底物的相互作用密切相關(guān)。其他顯著提高性能的因素包括電子結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)和促進(jìn)單個金屬原子與載體、配位原子、活性層電子-電子耦合、電子自旋適應(yīng)以及反應(yīng)中間體吸附能的優(yōu)化。然而，許多sac的實際應(yīng)用在電化學(xué)反應(yīng)過程中仍受到長期穩(wěn)定性問題的困擾。因此，開發(fā)具有高活性和穩(wěn)定性的單原子電催化劑(sac)用于電催化水分解一直是一個挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種碳-鐵-雜化碳催化劑及其制備方法和應(yīng)用，所制備的碳-鐵-雜化碳單原子催化劑具有高活性和穩(wěn)定性，可用于電催化水分解。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種碳-鐵-雜化碳催化劑的制備方法，包括以下步驟：

4、將碳球材料、鐵源、表面活性劑和第一溶劑混合，進(jìn)行第一水熱反應(yīng)，得到碳-鐵產(chǎn)物；

5、將所述碳-鐵產(chǎn)物、氮源、碳源和第二溶劑混合，進(jìn)行第二水熱反應(yīng)，得到碳-鐵-雜化碳催化劑。

6、優(yōu)選的，所述鐵源包括三氯化鐵；所述表面活性劑包括十六烷基三甲基溴化銨或聚乙烯吡咯烷酮。

7、優(yōu)選的，所述碳球材料、鐵源和表面活性劑的質(zhì)量比為0.05～0.2:0.3～1.6:0.15～0.6。

8、優(yōu)選的，所述第一水熱反應(yīng)的溫度為160～200℃，時間為6～12h。

9、優(yōu)選的，所述碳源包括葡萄糖或蔗糖；所述氮源包括雙氰胺。

10、優(yōu)選的，所述碳-鐵產(chǎn)物、氮源和碳源的質(zhì)量比為0.025～0.1:0.05～0.2:0.2～0.8。

11、優(yōu)選的，所述第二水熱反應(yīng)的溫度為160～200℃，時間為2～6h。

12、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述制備方法制備得到的碳-鐵-雜化碳催化劑。

13、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述碳-鐵-雜化碳催化劑在電催化水分解中的應(yīng)用。

14、本發(fā)明提供了一種碳-鐵-雜化碳催化劑的制備方法，采用水熱法將原子級鐵活性物種原位嵌入碳，得到碳-鐵產(chǎn)物，然后加入氮源進(jìn)行摻雜，得到碳-鐵-雜化碳催化劑。本發(fā)明通過構(gòu)筑獨特的界面c-fe-n基元來調(diào)節(jié)催化劑的本質(zhì)電子結(jié)構(gòu)及活性物種的暴露，從而提高催化劑的活性。同時，界面形成的c-fe-n耦合基元能夠顯著的保護(hù)活性物種的電解質(zhì)耐腐蝕性，從而實現(xiàn)催化反應(yīng)的耐久性。

15、本發(fā)明所制備的碳-鐵-雜化碳催化劑具有界面鐵單原子電子橋，內(nèi)核的碳原子通過鐵原子與外殼的氮原子偶聯(lián)，呈現(xiàn)鐵橋核殼納米球形態(tài)，具有豐富的界面，該催化劑展示出較低的過電勢和電化學(xué)阻抗低。在水的雙官能分解中表現(xiàn)出顯著的活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性，這是由于界面處的c-fe-n之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)，界面處形成獨特的單原子c3-fe-n局部c-fe-n配位微環(huán)境，增強(qiáng)了活性位點的暴露和電荷轉(zhuǎn)移，降低了中間體的吸附能壘，可用于電催化水分解。

16、本發(fā)明通過理論計算和同步輻射分析機(jī)理，結(jié)果表明，界面處的活性c3-fe-n局部配位微環(huán)境不僅改善了水分解行為，而且為提高電催化活性提供了對局部界面幾何形狀/電子結(jié)構(gòu)的深入理解。

17、本發(fā)明采用簡易的水熱反應(yīng)快速制備催化劑，低成本，效率高。

技術(shù)特征：

1.一種碳-鐵-雜化碳催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述鐵源包括三氯化鐵；所述表面活性劑包括十六烷基三甲基溴化銨或聚乙烯吡咯烷酮。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述碳球材料、鐵源和表面活性劑的質(zhì)量比為0.05～0.2:0.3～1.6:0.15～0.6。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述第一水熱反應(yīng)的溫度為160～200℃，時間為6～12h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述氮源包括雙氰胺；所述碳源包括葡萄糖或蔗糖。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述碳-鐵產(chǎn)物、氮源和碳源的質(zhì)量比為0.025～0.1:0.05～0.2:0.2～0.8。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述第二水熱反應(yīng)的溫度為160～200℃，時間為2～6h。

8.權(quán)利要求1～7任一項所述制備方法制備得到的碳-鐵-雜化碳催化劑。

9.權(quán)利要求8所述碳-鐵-雜化碳催化劑在電催化水分解中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種碳?鐵?雜化碳催化劑及其制備方法和應(yīng)用，屬于能源和新材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用水熱法將原子級鐵活性物種原位嵌入碳，得到碳?鐵產(chǎn)物，然后加入氮源進(jìn)行摻雜，得到碳?鐵?雜化碳催化劑。本發(fā)明通過構(gòu)筑獨特的界面C?Fe?N基元來調(diào)節(jié)催化劑的本質(zhì)電子結(jié)構(gòu)及活性物種的暴露，從而提高催化劑的活性。同時，界面形成的C?Fe?N耦合基元能夠顯著的保護(hù)活性物種的電解質(zhì)耐腐蝕性，從而實現(xiàn)催化反應(yīng)的耐久性。本發(fā)明所制備的碳?鐵?雜化碳催化劑可用于電催化水分解。

技術(shù)研發(fā)人員：陳凱
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19