[發明專利]一種二維碳納米片陣列負載金屬單原子的制備方法

在審

• 申請號: 202110095262.0
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112916008A
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 邵明飛;謝文富;衛敏
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B01J23/745
• 分類號: B01J23/745;B01J23/75;B01J23/755;B01J23/80;B01J35/00;B01J37/02;B01J37/08
• 代理公司: 北京太兆天元知識產權代理有限責任公司 11108
• 代理人: 王宇

本發明公開了一種二維碳納米片陣列負載金屬單原子的制備方法。該方法為：將預處理后的載體置于反應液中浸泡，取出晾干后得到MOF陣列前體材料；然后將MOF陣列前體材料進行焙燒處理，焙燒完成后經過或不經過刻蝕得到二維碳納米片陣列負載金屬單原子。本發明利用MOF的限域轉化策略，首次實現金屬單原子在一體化陣列載體表面的有效制備，解決了單原子催化劑催化活性及活性位利用率低、穩定性差的問題。二維碳納米片的使用可以極大的提高材料的比表面積，有利于單原子的暴露及利用。此外，陣列結構可以促進電子在活性位點和集流體之間快速傳遞，同時也可以避免使用粘結劑，提高材料的穩定性。

技術領域

本發明屬于制備金屬單原子技術領域，具體涉及一種二維碳納米片陣列負載金屬單原子的制備方法。

背景技術

隨著人類社會和經濟的快速發展，能源的不斷消耗和環境的不斷惡化成為我們不得不面對的關鍵問題。開發可再生的清潔能源轉換技術如燃料電池、金屬-空氣池和電解水技術等成為研究熱點。這些清潔能源轉換技術的核心是兩極的一系列電化學反應。因此，合理設計具有優良活性和穩定性的電催化材料是加速兩極反應、促進清潔能源轉化技術發展的關鍵。目前常用的電催化材料是貴金屬基材料，其高昂的價格和稀缺性成為制約清潔能源轉換技術商業化發展的瓶頸。

近幾年，單原子催化劑由于活性中心原子配位不飽和、載體效應及量子尺寸效應帶來的高反應活性、選擇性及百分之百的原子利用率受到了廣泛關注。同時單原子催化劑作為一種簡單模型為研究催化機理提供了便利。但是，單原子催化劑在具備這些優點的同時也存在諸多需要解決的問題，例如穩定性差，以及在實際應用中原子利用率遠低于理論值。導致上述問題普遍存在的原因是傳統的電極制備過程需要使用粘結劑將催化劑固定在集流體上。粘結劑的使用一方面不利于電解質的傳輸，另一方面也會導致活性位點被包埋在內部。除此之外，在長時間的測試過程中，粘結劑會出現分解，從而導致催化劑脫落，嚴重地降低了催化劑的穩定性。與傳統的粉體材料相比，將催化劑直接生長在載體上可避免上述提及的問題。這種一體化的電極材料設計不僅可以簡化電極制備過程還利于催化劑活性位點的暴露，同時材料與載體之間的致密接觸可以降低電子轉移電阻和提高材料穩定性。因此，通過構筑具有一體化結構的單原子催化劑來解決其穩定性差及原子利用率低的問題成為各國科研工作人員的研究熱點。

發明內容

為了克服現有單原子催化劑應用中存在的問題，本發明提供一種二維碳納米片陣列負載金屬單原子的制備方法。

本發明所述的二維碳納米片陣列負載金屬單原子的制備方法一：將預處理后的載體置于反應液中浸泡15分鐘-24小時，取出晾干后得到MOF陣列前體材料；然后將MOF陣列前體材料進行焙燒處理，得到二維碳納米片陣列負載金屬單原子。

本發明所述的二維碳納米片陣列負載金屬單原子的制備方法二：將預處理后的載體置于反應液中浸泡15分鐘-24小時，取出晾干后得到MOF陣列前體材料；然后將MOF陣列前體材料進行焙燒處理，焙燒完成后經酸性或者堿性溶液刻蝕得到二維碳納米片陣列負載金屬單原子。

所述的載體為碳布、泡沫鎳、鎳箔、泡沫銅、銅箔、鈦箔、石墨、碳纖維或導電玻璃。

所述預處理的方法為：將載體在氧化液中浸泡處理。所述的氧化液為高錳酸鉀溶液、過氧化氫溶液或硝酸溶液。

所述的反應液為金屬鹽溶液和配體溶液的混合液。所述的金屬鹽溶液和配體溶液的溶劑為甲醇、乙醇、水中的一種或幾種。所述的配體溶液為2-甲基咪唑、均苯三甲酸、對苯二甲酸中的一種或幾種的溶液。

所述焙燒氛圍為氮氣、氫氣、氬氣中的一種或幾種。

所述制備方法一的金屬鹽溶液為鐵鹽、鈷鹽、鎳鹽、銅鹽、錳鹽、鉬鹽中的一種或幾種和鋅鹽的混合溶液；其中鋅鹽和其他金屬鹽的摩爾比例為4/1-20/1。

所述制備方法一的焙燒的溫度為800-1100攝氏度，焙燒時間為5分鐘-5小時，升溫速率為1-10攝氏度/分鐘。