[發明專利]一種單原子二維材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201911268294.5
• 申請日: 2019-12-11
• 公開（公告）號: CN112941541A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 吳忠帥;李亞光
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C25B1/02
• 分類號: C25B1/02;B01J21/18;B01J23/06;B01J23/42;B01J23/72;B01J23/745;B01J23/75;B01J23/755;B01J23/80;B01J35/00;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 張瑩;田華

本申請提供了一種單原子二維材料的制備方法，其特征在于，包括：a)制備含有目標金屬離子、分散金屬離子和MXenes的溶液；b)將所述溶液與礦化劑混合，得到礦化后的MXenes；以及c)干燥含有礦化后的MXenes的溶液，以制得所述單原子二維材料。本申請還提供了一種單原子二維材料極其應用。本申請提供的制備方法中，通過使用具有基團豐富和導電兩種性質的MXenes作為襯底，使得由該方法制備得到金屬單原子二維材料不需要經過高溫退火，就具有良好的導電性。

技術領域

本申請涉及一種單原子二維材料的制造領域及其制備方法，屬于材料領域。

背景技術

當材料的尺度降低到單原子尺度時，與普通納米材料相比，其具有極高的活潑性、獨特的物理化學性質以及在技術方面潛在的諸多應用，這樣的材料稱為單原子材料。由于具有上述獨特性質，單原子材料備受世界各地科學家的關注，是當今材料科學領域的研究熱點。2011年，張濤課題組最早成功制備出單原子Pt/FeO_x催化劑，在CO氧化和CO選擇性氧化反應中表現出很高的催化活性和穩定性，并由此提出單原子催化的概念。2012年，E.CharlesH.Sykes課題組利用單原子Pd分散在Cu(111)面上，該催化劑對于加氫反應具有良好的選擇性。2014年，大連化物所包信和院士課題組制備的原子級分散的Fe/SiO₂在甲烷無氧制乙烯及芳構化取得重要進展。2015年包信和院士課題組又制備了單原子金屬摻雜促進了惰性二維材料MoS₂表面的電催化析氫活性。2016年廈門大學鄭南峰課題組用簡單的光化學方法合成的Pd/TiO₂單原子分散的催化劑在C＝C和C＝O加氫反應中具有極佳的活性。2017年清華大學李亞棟課題組制備了負載有孤立Fe單原子的N摻雜的多孔碳材料可作為氧還原反應的高效電催化劑和采用金屬有機骨架(MOFs)為載體制備含有Ni單原子的催化劑來高效還原CO₂在應用方面，目前單原子材料的研究主要集中在CO氧化、選擇性加氫、水煤氣變換等經典化學反應上，未來將進一步擴大單原子材料在傳統領域的應用研究，同時拓展單原子研究體系，將其應用于燃料電池、光電催化等新興領域。

單原子材料作為負載型材料，選擇一種優良的載體材料至關重要。隨著石墨烯的成功剝落，在過去十年里我們見證了二維材料的快速發展。二維材料如金屬硫族化合物、過渡族金屬氧化物、拓撲絕緣體以及其它的二維材料復合物獲得了人們的廣泛關注。由于具有獨特的性能以及高的比表面積，這些二維材料在許多方面都具有應用潛力，例如光電設備、自旋設備、催化劑、化學和生物傳感器、超電容、太陽能電池以及鋰離子電池等領域。

二維材料具有極大的比表面積，將單原子與二維材料結合得到單原子二維材料是當下研究的一個熱點。目前，單原子二維材料的主要制備方法為共沉積法、原子層沉積法、反OSTWALD熟化法以及逐步還原法。但是，上述方法存在以下問題：單原子電催化劑需要導電，這就需要退火過程高溫還原單原子電催化劑，增加單原子電催化劑的導電性，但是單原子極大的表面自由能造成其在高溫過程中極易發生團聚耦合形成大的團簇，從而導致單原子率較低；制備過程操作復雜、不易把控，且成本很高，不利于推廣應用；單原子穩定性差，極易與襯底脫離。

目前所有的單原子二維材料電催化劑制備，都是離子吸附在二維材料表面附著單原子的策略。這種策略需要二維材料具有足夠的基團吸附金屬離子，來固定單原子；但是過多的基團卻導致二維材料導電能力差，這就需要退火來減少基團數量，提升晶體質量來提升二維材料的導電性。所以，高溫退火步驟是所有的單原子二維材料電催化劑制備中不可或缺的

綜上，現有的制備方法根本無法避免高溫過程，進而得到真正意義上的單原子二維材料電催化劑，因此，開發一種無需退火的單原子二維材料的制備新方法是非常有必要的。

發明內容

根據本申請的一個方面，提供了一種單原子二維材料的制備方法，該方法選擇既具有導電性又含有可以吸附金屬離子的基團的二維材料，這樣就可以省去高溫退火步驟，從而保證單原子的高分散性和活性。