[發明專利]一種碳-單原子金屬復合材料的制備方法

在審

• 申請號: 201810436334.1
• 申請日: 2018-05-09
• 公開（公告）號: CN108687357A
• 公開（公告）日: 2018-10-23
• 發明（設計）人: 畢恒昌;孫立濤
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: B22F9/20
• 分類號: B22F9/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明提供了一種大規模制備碳?單原子金屬復合材料的方法，首先配制一定濃度的金屬鹽溶液；然后將密胺海綿(又叫三聚氰胺海綿)浸入上述鹽溶液中；接著將海綿取出干燥；最后將干燥好的海綿在氮氣或惰性氣體氛圍中進行高溫退火還原，得到碳/單原子金屬復合材料。本發明所提供的碳/單原子金屬復合材料的制備方法工藝簡單、原料來源豐富且成本低廉、制備過程綠色環保、且可進行批量化生產。

技術領域

本發明涉及一種碳復合材料制備的技術領域，尤其涉及一種碳-單原子金屬復合材料的制備方法。

背景技術

在催化領域，單原子金屬催化劑越來越受到極大關注(J.Am.Chem.Soc.2016,138,6396；Angew.Chem.,Int.Ed.2017,56,610；Angew.Chem.2015,127,14237；Angew.Chem.,Int.Ed.2016,55,16054)。單原子金屬催化劑具有高活性高選擇性。但是由于單原子金屬擁有極高的表面能，因此大量制備單原子金屬仍然是個挑戰。在國際上，科研人員已開發出多種制備單原子金屬的方法。如物理法原子層沉積法，但該方法需要在高真空環境下進行，因此成本非常高，另外產率也很低，非常不適合產業化應用的要求。同時，沉積的單原子與襯底之間由于缺少化學鍵，因此還存在長期穩定性的問題。而對于濕化學法(Acc.Chem.Res.2013,46,1740)，關鍵是要找到能夠鉚釘金屬離子的襯底材料，最好是金屬離子能夠和襯底上的某些官能團能夠成鍵，這樣在后續的處理中，單原子金屬就不會發生融合形成大的納米顆粒。但目前來說，現有這種方法還存在如下缺點：襯底材料比較昂貴且很難成型，不易方便使用；襯底上單原子金屬的負載量很低，不超過2wt％(Nat.Chem.2011,3,634)。本發明以商用密胺海綿為襯底，一方面海綿的來源豐富且價格低廉；另一方面，海綿上的N原子可以和金屬離子形成復雜的配位體，從而可以牢固的鉚釘金屬離子，利于之后高溫處理中，單原子的形成。單原子金屬的負載量高達30wt％。

發明內容

技術問題：在于提供一種大規模制備碳-單原子金屬復合材料的方法，該制備方法工藝簡單環保，成本低廉，易于操作。

技術方案：為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

(1)配制一定濃度的金屬鹽溶液；

(2)將密胺海綿(又叫三聚氰胺海綿)浸入上述鹽溶液中浸泡一段時間，接著將海綿取出干燥；

(3)將干燥好的海綿在氮氣或惰性氣體氛圍中進行高溫退火還原，得到碳/單原子金屬復合材料。

優選的，所述金屬鹽溶液包括：氯化鐵、氯化亞鐵、硝酸鐵、硝酸亞鐵、硫酸鐵、硫酸亞鐵、硝酸鎳、氯化鎳、硫酸鎳、硝酸鈷、氯化鈷、硫酸鈷、醋酸鎳、醋酸鈷、醋酸鐵、醋酸亞鐵、氯化鋅、硝酸鋅、硫酸鋅等水溶液。

優選的，所述的金屬鹽溶液濃度：0.01M-1M。

優選的，所述的浸泡時間為30s-30min。

優選的，所述的干燥溫度30-150℃。

優選的，所述的高溫退火溫度為：300-1300℃。

優選的，所述的退火時間為：1-10h。

有益效果：本發明所提供的碳/單原子金屬復合材料的制備方法工藝簡單、原料來源豐富且成本低廉、制備過程綠色環保、且可進行批量化生產。本發明以商用密胺海綿為原料襯底，利用海綿上的N原子對金屬離子的鉚釘作用，制備碳/單原子金屬復合材料，在高溫退火的過程中，由于金屬離子被牢固的鉚釘住，因此在高溫還原成單原子金屬時，不會因為單原子表面能超高而發生融合形成大顆粒金屬顆粒的現象，另外，基于海綿具有高密度的N原子結構，因此鉚釘的金屬離子密度極高，直接的后果就是形成高密度的金屬單原子分布，提高了負載量。另外，利用商用海綿易成型的優點，可以制備出大尺寸大規模不同形狀的碳/單原子金屬復合材料，方便應用使用。