【技术实现步骤摘要】
本申请涉及催化剂领域，尤其涉及金属-氮-碳(m-n-c)单原子催化剂、及其制备方法和应用。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池是绿色氢能实用化的一个重要场景，具有能量密度高、清洁环保、可低温快速启动等优点，受到了广泛的关注与研究。然而，其阴极氧还原反应(oxygenreduction reaction,orr)动力学缓慢，需要大量贵金属铂(pt)催化剂，提高了生产成本。近年来，金属-氮-碳单原子催化剂(m-n-c，m＝fe、co、ni、mn、cu等)展现出媲美pt的催化活性。与传统金属催化剂相比，m-n-c催化剂具有100％的原子利用率和可调节的孔结构，不仅可以在苛刻的酸性环境下快速催化氧还原反应，还提供了丰富的气液输运通道，促进传质导热，有助于提升燃料电池性能。然而，单原子活性中心需要氮元素的配位，将碳载体、含氮配体和金属前驱体在高温下热解可制备m-n-c催化剂(文献一：gupta,s.et al.heat-treated polyacrylonitrile-based catalysts for oxygen electroreduction.j.appl.electrochem.1989,19,19-27)，但是该方法难以控制金属和氮源在碳载体上的分布，导致制备出的催化剂不均匀，通常含有金属纳米颗粒、金属氮化物、碳化物等多种组分，使得催化剂结构难以精确调控，其中高活性的单原子m-n4活性位点密度较少(文献二：t.asset etal.iron-nitrogen-carbon catalysts for proton exch
技术实现思路
1、有鉴于此，本申请提供一种金属-氮-碳(m-n-c)单原子催化剂的制备方法。
2、另外，本申请还提供一种金属-氮-碳(m-n-c)单原子催化剂及其应用。
3、本申请的一种m-n-c单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：
4、通入压力为5pa～100pa的氢气对金属酞菁(mpc)粉末进行热处理，使所述mpc粉末升华为mpc分子，所述mpc分子蒸镀并嵌入到碳材料表面的石墨平面上，制得所述m-n-c单原子催化剂，其中，所述热处理温度为600℃～1000℃，所述热处理时间为0.5h～5h。其中，使用5pa～100pa低压条件能促进所述mpc粉末升华成mpc分子，进而均匀地分散于碳材料表面；600℃～1000℃的高温热处理将mpc分子嵌入到碳材料表面的石墨平面上，制得m-n-c单原子催化剂；热处理过程中通入的氢气则有效提升了所述m-n-c单原子催化剂的氧还原活性，实现高密度、高活性的m-n-c单原子催化剂的制备。
5、优选的，所述碳材料与所述mpc粉末的质量比为10:1～1:2。
6、本申请中，碳材料与mpc粉末的质量比为10:1～1:2，其中，mpc粉末太多，则容易团聚产生金属颗粒而降低催化活性；mpc粉末太少，则制备的m-n-c单原子催化剂活性位点密度较低，同样导致其氧还原催化活性降低。
7、优选的，所述m-n-c单原子催化剂中金属的质量百分比为0.5％～10％。
8、本申请中，m-n-c单原子催化剂中金属的质量百分比在0.5％～10％的范围内，所述m-n-c单原子催化剂的氧还原性能更优。
9、优选的，所述碳材料的比表面积为200cm2/g～2000cm2/g。
10、优选的，所述碳材料包括但不限于碳纳米管、科琴黑(ec-600jd碳黑、ec-300jd碳黑)、卡博特vulcan xc-72(vxc-72)碳黑中的一种。
11、优选的，所述金属酞菁粉末包括但不限于酞菁亚铁、酞菁钴、酞菁镍、酞菁锰、酞菁铜、酞菁锌、酞菁亚锡中的一种。
12、一种m-n-c单原子催化剂，采用上述制备方法制备获得。
13、一种m-n-c单原子催化剂应用于所述m-n-c单原子催化剂应用于酸性条件下的氧还原反应，尤其是氢氧燃料电池领域。
14、有益效果：本申请的制备方法，通入压力5pa～100pa的氢气，在600℃～1000℃的温度下对mpc粉末进行热处理，使其升华为mpc分子并均匀整合到碳材料表面的石墨平面上形成m-n-c单原子催化剂。通入压力为5pa～100pa的氢气有助于mpc粉末升华为mpc分子，以气相的形式均匀分布在碳材料表面；使用600℃～1000℃的热处理温度可以促进mpc分子整合到碳材料表面而形成具有高活性m-n4位点的m-n-c单原子催化剂；使用氢气替代常规惰性气体可以调控m-n4活性位点的催化性质，进一步提升氧还原催化活性。此外，本申请制备催化剂的过程中，无需使用任何有机溶剂来分散金属酞菁粉末和碳材料，降低了生产成本，符合低碳环保的制备理念，并且本申请的制备过程也更加的简单。
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1.一种金属-氮-碳(M-N-C)单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的M-N-C单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳材料与所述MPc粉末的质量比为10:1～1:2。
3.如权利要求1所述的M-N-C单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述M-N-C单原子催化剂中金属的质量百分比为0.5％～10％。
4.如权利要求1所述的M-N-C单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳材料的比表面积为200cm2/g～2000cm2/g。
5.如权利要求1所述的M-N-C单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳材料包括但不限于碳纳米管、科琴黑(EC-600JD碳黑、EC-300JD碳黑)、卡博特Vulcan XC-72(VXC-72)碳黑中的一种。
6.如权利要求1所述的M-N-C单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述MPc粉末包括但不限于酞菁亚铁、酞菁钴、酞菁镍、酞菁锰、酞菁铜、酞菁锌、酞菁亚锡中的一种。
7.一种M-N-C单原子催化剂，其特征在于，采用如权利要求1-6任一
8.一种如权利要求7所述M-N-C单原子催化剂的应用，其特征在于，所述M-N-C单原子催化剂应用于酸性条件下的氧还原反应，尤其是氢氧燃料电池领域。
...【技术特征摘要】
1.一种金属-氮-碳(m-n-c)单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的m-n-c单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳材料与所述mpc粉末的质量比为10:1～1:2。
3.如权利要求1所述的m-n-c单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述m-n-c单原子催化剂中金属的质量百分比为0.5％～10％。
4.如权利要求1所述的m-n-c单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述碳材料的比表面积为200cm2/g～2000cm2/g。
5.如权利要求1所述的m-n-c单原子催化剂的制备方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：干林，李泽健，朱绪娅，李佳，康飞宇，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：
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