生物炭/金属单原子复合催化剂研究及其性能调控

This project aims at the imperious demands of high-performance catalyst, which is mainly served in developing clean renewable energy, improving energy utilization efficiency, and managing the environmental pollution. This project comes up with a new biochar/single metal atoms structure obtained from a biological cell comfinement effect, followed an in situ co-reduction technology. This project studies on the controlling of the structures and properties of prepared biochar/single metal atoms composite catalyst materials. The research contents include: the research focuses on the bonding mechanisms of the combination between metal ions and the biological cell wall surface, and also that of single metal atoms on the surface of biochar materials; explores the influences on the microstructure and loading capacity of single metal ions of the in situ reduction technology; study on the effects on catalytic selectivity, catalytic activity, and stability for composite catalysts of the different combination modes and the loading capacity of single metal ions; investigates the rules and impacting mechanism of catalytic activity of the multi single metal atoms or metal oxide molecules supported by biochar materials on single metal ions catalyst. This project could get a high catalytic activity, good stability, high loading capacity, and low cost biochar/single metal atoms composite catalyst materials. The study of the project could provide a new way for the development and extensive application of the single metal atoms catalyst, and also it has great significance to the theoretical research and application in the fields of energy, chemical industry, and environmental protection.

本项目针对开发清洁新能源、提高能源利用效率及治理环境污染等技术对高性能催化剂的迫切要求，提出采用生物质材料细胞限域原位共还原技术，研究生物炭/金属单原子复合催化剂的结构和性能调控。研究金属离子在细胞壁表面以及金属单原子在生物炭表面的结合方式和结合机制，探讨细胞限域原位共还原技术对金属单原子催化剂的微观形貌和金属单原子负载量的影响规律，分析金属单原子负载量及其与炭表面结合方式对生物炭/金属单原子催化剂的催化选择性、催化活性以及稳定性的作用机制，探讨多金属单原子或金属氧化物分子对金属单原子催化剂的催化活性的影响及其作用机制，获得更高催化活性、好稳定性、高负载量、低生产成本的生物炭/金属单原子催化剂材料及其制备技术。本项目研究将为金属单原子催化剂的开发和推广应用提供一条新思路，对国家能源、化工、环保等领域带来重要的经济效益和社会效益。

本项目针对开发清洁新能源、提高能源利用效率及治理环境污染等技术对高性能催化剂的迫切要求，利用生物质材料细胞多孔结构，采用原位共还原技术制备了生物质炭基纳米金属复合催化剂并对其电催化性能进行优化调控。主要结论为下：（1）研究生物质多孔炭的形貌调控技术，结果表明冷冻干燥的工艺更有利于生物质材料的形貌保持，热处理温度可调控生物炭的形貌、孔径及石墨化程度。 （2）采用原位共还原技术分别在生物炭表面负载了多种金属纳米颗粒（Pt、Rh、Ru、Au、Pd、Ir、Ag、Co、Ni），各种金属纳米颗粒粒径均约为1-5nm；研究结果还表明：当氯铂酸浓度为0.08mol/L、碳化温度为600℃时，制得Pt@C-N复合催化剂具有最优电催化析氢性能，在电流密度为100mA·cm-2时，其相对氢电位仅为71mV，催化稳定性优异；当负载Ni纳米颗粒时，优化的Ni@C-N复合催化剂也具有较好的电催化活性和稳定性，在10 mA·cm-2的电流密度下，电催化析氢和析氧的过电位分别为171 mV和319 mV，经10小时稳定性测试后析氢活性无显著衰减。（3）探究了Pt金属颗粒与碳表面的结合方式，即细胞壁/膜表面不稳定键断裂后与溶液中金属离子（团）结合形成更稳定的化学键，将其均匀地固定在细胞壁和膜的表面；在碳化过程中，金属离子（团）被原位还原成金属原子，经团聚生长形成纳米颗粒，并均匀和稳定地负载在掺氮的生物炭材料表面。（4）研究了生物炭负载NiFe和NiCo金属催化剂的结构性能，结果表明：当两种元素浓度比为7:3、热处理温度为800 ℃时，镍基复合纳米催化剂的析氢性能均达到最佳。（5）以Ni-C、NiFe-C和NiCo-C复合物作为前驱体，探讨了氧化热处理温度对Ni/NiO-C、NiFeOx-C和NiCoOx-C复合纳米催化剂的结构及性能的影响，结果表明：当氧化热处理温度为200 ℃时，制得复合纳米催化剂均可达到优化的析氢性能。本项目研究形成的关键技术具有制得产物催化活性高、稳定性好、生产成本低等优势，期望为新型高性能金属纳米催化剂的开发提供一条新思路，对国家能源、环保等领域带来经济效益和社会效益。