一种单原子催化剂及其在析氢反应中的应用制造技术

本发明专利技术提出了一种单原子催化剂及其在析氢反应中的应用，所述单原子催化剂为负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料，其是通过将BiTeBr单层材料加入过渡金属盐溶液中超声分散均匀，再经还原反应得到。本发明专利技术提出的一种单原子催化剂及其在析氢反应中的应用，该单原子催化剂实质是负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料，其是通过将过渡金属单原子负载在BiTeBr单层材料表面得到，经过计算结果表明，该负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料可以显著提高析氢反应的活性。显著提高析氢反应的活性。显著提高析氢反应的活性。

【技术实现步骤摘要】
一种单原子催化剂及其在析氢反应中的应用


[0001]本专利技术涉及电化学催化
，尤其涉及一种单原子催化剂及其在析氢反应中的应用。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，人类的能源需求也在不断增加，特别是在现代工业和城市化进程中，对能源的依赖性更加显著。然而，传统化石燃料的大量使用所带来的负面问题引起了人们的警觉。因此，科学家们正在积极研发可再生能源以解决未来的能源危机。氢气是一种很有前途的能量转换和储存的载体，并且具有零污染等优点，因此备受研究者们的关注。到目前为止，铂仍被广泛认为是析氢反应的最佳催化剂。然而，由于铂的含量稀少和高成本导致了铂在实践生产中的广泛应用被限制。近年来科学家们努力探寻新型催化剂以取代Pt，如过渡金属氮、磷、硫和碳化物等，但其催化性能仍低于铂。因此，我们需要研究一种新型催化剂具有优异的催化性能、低廉的价格以及大的存储量。
[0003]二维过渡金属二卤代化合物家族作为一种很有前途的析氢反应(HER)催化剂得到了广泛的研究。然而，这些材料仍然存在着惰性基平面的问题。最近，实验成功制备了类似三明治的单层Janus材料，为提高HER活性提供了新的思路和策略。与传统的过渡金属二卤代化合物相比，Janus材料一侧的卤素原子与另一边的不同，Janus材料打破了基面的镜面对称。Janus单层由于独特的镜面不对称产生了固有应变和内置电场，可能赋予这种新材料独特的性质，如大的压电响应、强的Rashba自旋分裂和良好的催化性能。层状BiTeX(X＝Cl，Br，I)化合物家族是固有的Janus半导体，其具有巨大的Rashba分裂和许多奇异的表面物理性质。近期，实验上成功制备了铋基的二维Janus BiTeBr、BiTeCl和BiTeI材料。BiTeBr作为近年来合成的一种新型的Janus二维材料，其具有优异的析氢反应前景。此外，单原子催化剂不但可以减少副反应的发生和催化剂的失活现象，还能提高反应活性。这些优点使得单原子催化剂在化工、环境，能源等多个领域中的运用都有着光明的未来。最近，Lu的研究小组发现，在单层的VSSe材料的S或Se位点掺杂As和Si原子以及在VSSe的Se位点掺杂C和Ge原子具有优异的析氢反应性能。Wang等人通过理论计算研究了将过渡金属原子锚定在单层MoSSe表面以筛选有效的单原子催化剂，发现Fe原子锚定在Janus MoSSe表面具有优异的析氢反应性能。Xiao课题组报道了Zn原子锚定在含有硫缺陷的Janus MoSSe单层材料上具有良好的HER活性。可见单原子的负载和掺杂可以进一步激活材料的基平面，有望提升Janus材料的析氢反应活性。

技术实现思路

[0004]基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种单原子催化剂及其在析氢反应中的应用，该单原子催化剂实质是负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料，其是通过将过渡金属单原子负载在BiTeBr单层材料表面得到，经过计算结果表明，该负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料可以显著提高析氢反应的活性。
[0005]本专利技术提出的一种单原子催化剂，所述单原子催化剂为负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料。
[0006]优选地，所述过渡金属为Ru、Cu或Mn；
[0007]优选地，所述过渡金属为Ru。
[0008]优选地，所述负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料是通过下述方法制备得到：将BiTeBr单层材料加入过渡金属盐溶液中超声分散均匀，再经还原反应，即得到所述负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料。
[0009]优选地，所述过渡金属盐为RuCl3、CuCl2或MnCl2。
[0010]优选地，所述BiTeBr单层材料和过渡金属盐的质量比为1:0.1
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0.5。
[0011]优选地，所述过渡金属盐溶液的浓度为0.05
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0.5wt％。
[0012]优选地，所述还原反应是在氢气气氛下焙烧完成；
[0013]优选地，所述焙烧温度为400
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600℃，焙烧时间为2
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4h。
[0014]本专利技术还提出一种上述单原子催化剂在析氢反应中的应用。
[0015]优选地，所述单原子催化剂是用作析氢反应的催化剂。
[0016]本专利技术提出一种负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料作为单原子催化剂的技术方案，并理论计算了该负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料作为单原子催化剂用于析氢反应的可行性。通过计算吉布斯自由能，评估了该单原子催化剂的HER性能。计算结果表明，在具有单个Bi空位的BiTeBr的单分子层上负载Ru原子(Ru
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BiTeBr)获得了最佳的HER活性，其接近于零，表明Ru单原子负载激活了BiTeBr的惰性基平面。
[0017]与此同时，本专利技术还研究了Ru
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BiTeBr的析氢反应的具体机理：结果表明，在低的Ru负载浓度下，它通过沃尔默
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海洛夫斯基机制进行反应，而在高的Ru负载浓度下，可以通过沃尔默
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塔菲尔机制进行反应；采用恒电势方法对计算氢电极模型进行了优化，计算了不同pH下的析氢反应活性，结果表明，在酸性条件下Ru
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BiTeBr具有最优的催化活性；基于电子结构分析，解释了催化剂高析氢反应活性的原因。最终本专利技术为设计和筛选具有高HER活性的新型催化剂提供了参考。
附图说明
[0018]图1为本征的BiTeBr单层材料的结构模型示意图：(a)为本征的BiTeBr单层材料Te端的结构模型俯视图，(b)为本征的BiTeBr单层材料Br端的结构模型俯视图，(c)为本征的BiTeBr单层材料的结构模型侧视图及不同球体所对应的原子；
[0019]图2为BiTeBr单层材料上单原子不同负载方式的结构模型示意图：(a)为TM
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BiTeBr的结构模型示意图，(b)为TM
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BiTeBr的结构模型示意图，(c)为TM
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BiTeBr的结构模型示意图，(d)为TMV
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BiTeBr的结构模型示意图，(e)为TM
Ⅱ‑
VTe
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BiTeBr的结构模型示意图，(f)为TM
Ⅵ‑
BiTeBr的结构模型示意图，(g)为TM
Ⅲ‑
BiTeBr的结构模型示意图，(h)为TMI
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BiTeBr的结构模型示意图，(i)为TM
Ⅳ‑
BiTeBr的结构模型示意图；
[0020]图3为BiTeBr单层材料上单原子不同负载方式所对应的单原子催化剂的结合能图；
[0021]图4为TM
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子催化剂，其特征在于，所述单原子催化剂为负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料。2.根据权利要求1所述单原子催化剂，其特征在于，所述过渡金属为Ru、Cu或Mn；优选地，所述过渡金属为Ru。3.根据权利要求1或2所述单原子催化剂，其特征在于，所述负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料是通过下述方法制备得到：将BiTeBr单层材料加入过渡金属盐溶液中超声分散均匀，再经还原反应，即得到所述负载过渡金属单原子的BiTeBr单层材料。4.根据权利要求3所述单原子催化剂，其特征在于，所述过渡金属盐为RuCl3、CuCl2或MnCl2。5.根据权利要求3或4所述单原子催化剂，其特征在于，所述BiTeBr单层材料和过渡金属盐的质量比为1:0.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：