[發(fā)明專利]一種熔融鹽法原位合成碳基單原子納米片及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2022-03-30
• 公開（公告）號: CN114855210B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊彬;林丹;侯陽;李中堅;雷樂成
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B11/054;C25B1/23;C01B32/15;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發(fā)明公開了一種熔融鹽法原位合成碳基單原子納米片的制備方法，包括：將二茂鐵和2?甲基咪唑混合得到第一混合物，將氧化鋅、氯化鈉和氯化鈣混合、研磨得到第二混合物，將第一混合物和第二混合物相隔放置于容器中；通過氬氣將第一混合物吹入第二混合物，同時，梯度煅燒容器中的第一混合物和第二混合物，冷卻后得到含有氯化鈉/氯化鈣混鹽的碳基單原子納米片；通過去離子水洗滌、攪拌碳基單原子納米片，抽濾、真空干燥得到熔融鹽法原位合成碳基單原子納米片。該方法能夠一步法獲得具有較高電催化還原CO₂活性的催化劑。本發(fā)明還提供了利用該方法制備得到的碳基單原子納米片，以及該碳基單原子納米片在電催化CO₂還原上的應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熔融鹽法原位合成碳基單原子納米片及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

近些年來，隨著城市和工業(yè)的迅速發(fā)展，大氣中CO₂的濃度急劇上升，破壞了地球碳循環(huán)系統(tǒng)，也因此引發(fā)了一系列嚴重的環(huán)境問題，對人類的生存和發(fā)展提出挑戰(zhàn)。所以，人類亟需找出解決的方法來降低大氣中CO₂的濃度，避免環(huán)境進一步惡化。降低大氣中CO₂的濃度主要從兩方面著手，一方面是通過使用太陽能、風(fēng)能等清潔能源供能，減少化石燃料的使用，從源頭減少CO₂的產(chǎn)生和排放；另一方面是對大氣中已存在的CO₂進行捕獲、分離、轉(zhuǎn)化最終生成具有高附加值的化合物。

在CO₂轉(zhuǎn)化中電催化還原CO₂獲得高附加值燃料是最受關(guān)注的轉(zhuǎn)化方法之一。電催化還原CO₂是利用風(fēng)能、氫能等可再生能源提供電能驅(qū)動電催化劑對CO₂進行還原，最終生成一氧化碳、甲烷、甲酸、甲醇以及C₂產(chǎn)物甚至多碳的產(chǎn)物。該過程中不僅利用清潔能源供能產(chǎn)電，從而在源頭減少了CO₂的排放，而且電的驅(qū)動下在電催化劑上發(fā)生對CO₂的吸附活化、電子轉(zhuǎn)移、質(zhì)子化、產(chǎn)物脫附等過程，最終轉(zhuǎn)化成具有高附加值的化石燃料，降低了大氣中CO₂的濃度。因此，該方法是非常具有研究價值和發(fā)展前景。但是CO₂中的C＝O鍵能大(806kJmol^-1)，反應(yīng)過程中需要較高的能量才能斷鍵形成具有C-O鍵或C-H鍵等的中間體，而且電化學(xué)還原CO₂是一個涉及多電子轉(zhuǎn)移、質(zhì)子耦合的過程，所以CO₂轉(zhuǎn)化效率通常受限，并且單一產(chǎn)物選擇性不高。因此，開發(fā)出高選擇性、高催化活性以及穩(wěn)定性好的電催化CO₂還原催化劑是當前科學(xué)家們亟需攻克的難題。

碳基材料作為電催化劑的載體不僅廉價易得，而且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，同時碳骨架表面易于改性和摻雜，有利于催化劑性能的改善和提升。此外，碳基材料可以組裝成各種尺寸和結(jié)構(gòu)，如零維的碳納米點，一維的碳納米管和納米纖維，二維碳納米片，三維碳泡沫等。其中二維材料由于其優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、磁性和結(jié)構(gòu)特性，并且可以通過改變納米片厚度或者摻雜的方法調(diào)節(jié)片的結(jié)構(gòu)和電子特性，因此受到研究員們廣泛的研究。

目前合成技術(shù)主要有剝離、化學(xué)沉積、溶劑熱、水熱等方法。熔融鹽法作為一種快速、簡單、高產(chǎn)、低成本的合成方法，在材料的制備上應(yīng)用越來越廣泛。如專利號為CN111974435A的中國專利文獻，該方法首先按照一定比例稱取檸檬酸鎂、檸檬酸鉀和草酸銨置于剛玉舟中氮氣條件下熱解，反應(yīng)完后酸洗、水洗獲得N摻雜碳納米片，再通過浸漬法將N摻雜碳納米片浸在硝酸銅水溶液中獲得前驅(qū)體，最后在氫氣/氮氣混合氣氛圍下低溫煅燒獲得Cu/N摻雜碳納米片。相較于已有的制備方法來說，該方法合成溫度較低，原料廉價易得，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)均勻，形貌均一。然而該制備工藝相對復(fù)雜，首先需合成N摻雜碳納米片后再將活性金屬負載上去，可通過創(chuàng)新的方法進一步簡化合成工藝。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種熔融鹽法原位合成碳基單原子納米片的制備方法，該方法能夠一步法獲得具有較高電催化還原CO₂活性的催化劑。