一种零碳Janus核壳脉冲电催化材料、制备工艺与催化体系的制作方法

本公开属于零碳电解，具体涉及一种零碳janus核壳脉冲电催化材料、制备工艺与催化体系。

背景技术：

1、当前，脉冲电催化技术凭借其可调控的脉冲电场特性，在新能源转化（如电解水、co2还原）、环境污染物降解、有机电合成等领域展现出广阔应用前景，而催化剂作为脉冲电催化系统的核心，其结构与性能直接决定催化效率、选择性和稳定性。目前，脉冲电催化用催化剂主要分为三大类，均围绕“提升催化活性、适配脉冲电场特性”展开，具体如下：

2、1.单一组分脉冲电催化催化剂：该类催化剂为行业早期主流类型，多采用单一金属（如pt、ru、ir）、金属氧化物（如tio2、mno2）或碳基材料（如石墨烯、碳纳米管）作为催化活性组分，通过简单负载或焙烧工艺制备。例如，现有技术中采用pt纳米颗粒负载于碳载体上，用于脉冲电催化析氢反应，依赖pt的高催化活性提升反应速率；另有采用mno2纳米片作为催化剂，用于脉冲电催化降解水中有机污染物，利用其氧化还原特性实现污染物分解，但单一组分催化剂难以适配脉冲电场的动态变化，易出现活性衰减。

3、2.普通复合结构脉冲电催化催化剂：为解决单一组分催化剂性能局限，现有技术逐步发展出复合结构催化剂，主要包括混合复合、简单核壳复合两种形式。混合复合催化剂是将两种或多种活性组分物理混合，如pt-ru合金颗粒负载于碳载体，用于脉冲电催化甲醇氧化；简单核壳复合催化剂则采用“核-壳”双层结构，如以sio2为核、tio2为壳的催化剂，用于脉冲电催化co2还原，但此类核壳结构为对称均一结构，核与壳之间界面作用弱，电子转移效率低，且无法实现“双向催化”功能，难以适配脉冲电催化中氧化-还原交替进行的反应特性。

4、3.janus结构催化剂（非脉冲电催化专用）：janus结构因具有“双面异质、不对称特性”，在催化、传感等领域已有应用，但现有janus结构催化剂多为二维片状或简单颗粒结构，且主要用于常规直流电催化或光催化领域，未针对脉冲电催化的特性进行结构设计和性能优化。例如，现有janus pt-au双金属片催化剂，用于常规直流电催化析氧反应，其不对称结构仅能提升单一方向的催化活性，无法适配脉冲电场的周期性通断、电压幅值变化等特点，且未形成核壳异质结构，界面稳定性差，在脉冲电场下易发生结构坍塌。

5、结合上述现有技术，当前脉冲电催化用催化剂存在诸多核心缺点，严重制约脉冲电催化技术的工业化应用和性能提升，无法满足高效、稳定、节能的催化需求，具体如下：

6、1.单一组分催化剂性能局限显著：单一金属或金属氧化物催化剂，活性位点单一，难以同时适配脉冲电催化中氧化、还原交替进行的反应过程，催化选择性差，易产生副产物；且单一组分催化剂在脉冲电场的周期性冲击下，易发生颗粒团聚、活性组分脱落，导致催化活性快速衰减，使用寿命短，例如单一pt催化剂在脉冲电催化析氢反应中，连续运行50小时后活性下降超过40%。

7、2.普通复合催化剂界面作用弱，电子转移效率低：普通混合复合催化剂中，各活性组分分散不均，界面接触不紧密，脉冲电场下电子难以在各组分间快速转移，导致催化动力学缓慢；简单核壳复合催化剂为对称结构，核与壳之间仅为物理包覆，无强相互作用，易出现壳层脱落，且无法实现“双面差异化催化”，无法充分利用脉冲电场的动态调控优势，催化效率提升有限。

8、3.现有janus结构催化剂无法适配脉冲电催化场景：现有janus结构催化剂多为二维片状结构，无核壳异质设计，比表面积小，活性位点数量有限；且未针对脉冲电场的周期性通断、电压波动等特性优化，在脉冲电场作用下，界面电荷易积累，导致催化剂极化，降低催化活性；同时，其不对称结构仅能提升单一反应方向的活性，无法满足脉冲电催化中氧化-还原双向催化的需求。

9、4.催化稳定性差，运维成本高：现有催化剂在脉冲电场的长期冲击下，易发生活性组分团聚、脱落，以及载体腐蚀等问题，导致催化剂使用寿命短，需频繁更换，大幅增加运维成本；部分催化剂采用贵金属含量较高的配方，成本高昂，且贵金属利用率低，进一步制约其工业化推广。

10、5.脉冲电场适配性差，能量利用率低：现有催化剂未针对脉冲电催化的关键参数（如脉冲频率、占空比、电压幅值）进行结构优化，无法实现催化活性与脉冲电场参数的精准匹配，导致脉冲电场的能量无法充分转化为催化反应能量，能量利用率低，且催化反应速率易受脉冲参数波动影响，稳定性不足。

技术实现思路

1、本公开旨在至少解决现有技术中存在的脉冲电催化用催化剂活性低、选择性差、稳定性不足、脉冲电场适配性差、成本高、电子转移效率低等技术问题，提供一种零碳janus核壳脉冲电催化材料、制备工艺与催化体系。

2、本公开的一方面，提供一种零碳janus核壳脉冲电催化材料，所述电催化材料为球形janus核壳异质结构，其由内至外依次包括核层、界面掺杂层、janus壳层；其中，

3、所述janus壳层包括对称分布于所述核层两侧的氧化型活性壳区和还原型活性壳区，且所述氧化型活性壳区和还原型活性壳区之间设置有惰性隔离层，形成不对称的双功能催化结构。

4、可选地，所述核层为氮掺杂碳球，其直径为30-60nm，氮掺杂量为所述核层质量的5%-10%；其中，

5、所述核层内部设有微孔结构，该微孔结构的孔径≤2nm。

6、可选地，所述界面掺杂层的厚度为2-5nm，其采用fe与co共掺杂，所述fe与co共掺杂的含量为所述核层质量的3-5%；

7、fe与co的摩尔比为1:1-2:1。

8、可选地，所述还原型活性壳区覆盖于所述界面掺杂层的一侧，其以ptni合金为主要活性组分；

9、所述氧化型活性壳区覆盖于所述界面掺杂层的另一侧，其以ruo2为主要活性组分，掺杂少量iro2次要活性组分。

10、可选地，所述氧化型活性壳区和所述还原型活性壳区的厚度为5-15nm；和/或，

11、ruo2、iro2的粒径为5-8nm，所述ruo2与所述iro2的摩尔比为8:1-10:1；和/或，

12、所述ptni合金的粒径为8-15nm，所述ptni合金中pt与ni的摩尔比为1:2-1:3。

13、可选地，所述惰性隔离层为sio2，其厚度为1-2nm。

14、本公开的另一方面，提出一种制备前文记载的零碳 janus 核壳脉冲电催化材料的工艺，所述工艺包括：

15、将碳源、氮源、界面掺杂金属原料混合溶于去离子水中，搅拌均匀后进行水热反应，冷却至室温后离心、洗涤、干燥，再在氮气氛围下焙烧处理，得到核层结构，同时界面掺杂金属在核层表面的初步掺杂，形成界面掺杂层的前驱体；

16、将所述前驱体分散于去离子水中，加入还原型活性组分和还原剂在室温下搅拌反应，使还原型合金颗粒均匀负载于核层一侧，形成还原型活性壳区；随后加入惰性隔离层前驱体，在核层另一侧包覆惰性隔离层，离心、洗涤、干燥，得到中间产物；

17、将所述中间产物分散于去离子水中，加入氧化型活性组分和分散剂，搅拌均匀后进行水热反应，使氧化型活性组分均匀负载于惰性隔离层另一侧，形成氧化型活性壳区，得到janus核壳异质结构催化剂前驱体；

18、所述janus核壳异质结构催化剂前驱体在氮气氛围下焙烧，得到janus 核壳异质结构脉冲电催化催化剂。

19、可选地，所述碳源为葡萄糖；

20、所述氮源为尿素；

21、所述界面掺杂金属原料包括fecl3·6h2o和cocl2·6h2o；

22、所述惰性隔离层前驱体为sio2前驱体；

23、所述还原型活性组分为ptcl4和nicl2·6h2o；

24、氧化型活性组分为rucl3·xh2o和ircl3·xh2o；

25、所述碳源、所述氮源、所述界面掺杂金属原料按质量比为（2~5）:（1~2）:（0.3~0.6）；

26、所述还原型活性组分与所述还原剂摩尔比为1:（5~10）；

27、所述氧化型活性组分与所述分散剂质量比为1:（0.5~1）。

28、可选地，所述将碳源、氮源、界面掺杂金属原料混合溶于去离子水中，搅拌均匀后进行水热反应的温度为180-200℃，时间为8-12h，再在氮气氛围下焙烧处理的温度为500-600℃，时间为2-3h；

29、将所述前驱体分散于去离子水中，加入还原型活性组分和还原剂在室温下搅拌反应的时间为2-4h；

30、将所述中间产物分散于去离子水中，加入氧化型活性组分和分散剂，搅拌均匀后进行水热反应的温度为120-150℃，时间为4-6h；

31、所述janus核壳异质结构催化剂前驱体在氮气氛围下焙烧的温度为300-400℃，时间为1-2h。

32、本公开的另一方面，提出一种催化体系，所述催化体系包括碳基载体以及分散于所述碳基载体表面的催化剂；其中，

33、所述催化剂采用前为记载的所述的零碳 janus 核壳脉冲电催化材料。

34、本公开相对于现有技术具有以下有益效果：

35、1. 催化活性高，选择性优异：janus核壳异质结构实现氧化-还原双向催化，氧化型与还原型活性壳区分工明确，可同时适配脉冲电催化中氧化、还原交替进行的反应特性，催化效率相比现有单一组分催化剂提升50%-80%；同时，活性组分精准负载和界面掺杂改性，提升了催化选择性，副产物生成量减少40%以上，尤其适用于复杂体系的电催化反应（如多污染物降解、多产物合成）。

36、2. 脉冲电场适配性强，能量利用率高：通过优化核壳结构比例和导电性，使催化剂的电荷响应速度与脉冲频率、占空比精准匹配，避免脉冲电场下电荷积累导致的极化问题，脉冲能量转化效率提升35%-50%；同时，催化剂可适配10-100hz宽频率范围的脉冲电源，无需调整催化剂结构，灵活性强，解决现有催化剂脉冲适配性差的核心痛点。

37、3. 结构稳定，使用寿命长：催化剂的核-壳-界面之间通过化学键紧密结合，界面作用强，避免壳层脱落和活性组分团聚；同时过渡金属掺杂层和碳基载体的协同作用，提升了催化剂的抗腐蚀、抗冲击能力，在脉冲电场下连续运行100小时，催化活性衰减不超过10%，使用寿命是现有催化剂的3-5倍，大幅降低运维成本。

38、4. 成本可控，工业化前景广：采用ptni合金、ruo2-iro2复合活性组分，优化贵金属配比，贵金属用量相比现有催化剂减少30%以上，大幅降低催化剂成本；制备工艺简单，采用“一步水热-原位还原-选择性包覆”工艺，无需复杂设备，重复性好，适合工业化大规模生产，可广泛应用于电解水、co2还原、环境治理等多个领域。

39、5. 电子转移效率高，催化动力学快：界面掺杂层的引入的强相互作用异质界面，促进电子在核层与壳层之间快速转移，电子转移速率提升60%-70%，显著加速催化反应动力学，缩短反应周期；分级孔结构增加了比表面积和活性位点暴露程度，进一步提升催化效率，解决现有催化剂电子转移效率低的问题。

40、6. 适用性广，灵活性强：可通过调整活性组分种类和配比，适配不同类型的脉冲电催化反应（如析氢、析氧、co2还原、有机污染物降解），无需改变催化剂整体结构；同时，可适配不同参数的脉冲电源，兼容不同规模的脉冲电催化系统，推广价值高，助力新能源转化和环保领域的技术升级，贴合“双碳”目标需求。