[發(fā)明專利]一種多金屬單原子材料的制備方法

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• 申請日: 2023-04-03
• 公開（公告）號(hào): CN116356375A
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄒星禮;夏雪雯;汪淑娟;劉丹;王府倩;王飛;張琪;陶李;龐忠亞;余興;李光石;許茜;魯雄剛
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號(hào): C25C1/22
• 分類號(hào): C25C1/22;C25C7/02;C25C7/06
• 代理公司: 上海旭誠知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發(fā)明公開了一種多金屬單原子材料的制備方法，涉及材料制備技術(shù)領(lǐng)域。包括如下步驟：步驟一、將氮摻雜石墨烯作為載體材料均勻涂覆在碳布基底上并烘干；步驟二、配置低共熔溶劑作為電解質(zhì)溶液；步驟三、以非水?銀電極為參比電極，步驟一制備得到的電極為工作電極，然后分別以不同的金屬作為對(duì)電極，在步驟二制備的電解質(zhì)溶液中，采用循環(huán)伏安法，依次將不同的金屬對(duì)電極溶解至電解質(zhì)溶液中，并沉積至工作電極上；步驟四、將經(jīng)過步驟三制備得到的材料從電解槽中取出，清洗，烘干。本發(fā)明通過改變對(duì)電極金屬的方式，在低共熔溶劑電解質(zhì)溶液中，采用循環(huán)伏安法能制備出含有3、5、11種金屬元素的多金屬單原子材料，應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多金屬單原子材料的制備方法。

背景技術(shù)

電催化能量轉(zhuǎn)換的實(shí)際應(yīng)用依賴于高活性、高選擇性和高耐久性催化劑材料。目前，性能優(yōu)異的貴金屬基(如含Pt、Ir、Ru、Au等)電催化劑已被用于水裂解、燃料電池、二氧化碳還原、氮還原等能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能等領(lǐng)域。然而，貴金屬的高成本和稀缺性阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。降低催化劑中貴金屬用量、提高非貴金屬催化性能是實(shí)現(xiàn)能源高效利用和轉(zhuǎn)化的有效途徑。

多金屬單原子催化劑具有高原子利用率、低金屬原子配位、金屬與載體相互作用強(qiáng)等特點(diǎn)。相比于單一金屬單原子催化劑，多金屬單原子催化劑具有更豐富的活性位點(diǎn)，且不同活性位點(diǎn)間的協(xié)同作用，使得與反應(yīng)物的結(jié)合方式多樣，表現(xiàn)出更好的性能，也為催化不同產(chǎn)物的復(fù)雜反應(yīng)提供機(jī)會(huì)。制備多金屬單原子催化劑的主要方法包括：前驅(qū)體預(yù)選法，空間限制-熱解法，配位穩(wěn)定法，原子層沉積法、電化學(xué)法、靜電紡絲和球磨法等，但是金屬原子的高表面能和不同金屬配位結(jié)構(gòu)的差異使得多金屬單原子催化劑的制備十分困難。

采用電化學(xué)法制備多金屬單原子催化劑具有操作簡單、無后續(xù)處理過程、可拓展到不同的載體材料、無需添加其他還原劑和表面活性劑等優(yōu)點(diǎn)。但在傳統(tǒng)水溶液中，采用電化學(xué)法制備多金屬單原子催化劑還存在一定缺點(diǎn)：1)金屬離子在水溶液中傳質(zhì)過快，導(dǎo)致金屬單原子易團(tuán)聚等；2)水溶液的電化學(xué)窗口窄，難以制備具有較高還原電位的金屬單原子，導(dǎo)致可制備的金屬種類較少。目前，以水溶液作為電解質(zhì)溶液的電化學(xué)法僅能制備出含兩種金屬元素的雙金屬單原子材料，且需要預(yù)先制備單金屬原子材料作為工作電極上的載體，進(jìn)一步增加了制備難度。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于選擇一種合適的電解質(zhì)溶液，通過采用電化學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)制備多金屬單原子材料，是本發(fā)明亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是選擇一種合適的電解質(zhì)溶液，通過采用電化學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)制備多金屬單原子材料。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種多金屬單原子材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、將氮摻雜石墨烯作為載體材料均勻涂覆在碳布基底上并烘干；

步驟二、將氯化膽堿和乙二醇混合均勻形成低共熔溶劑作為電解質(zhì)溶液；

步驟三、采用三電極體系，以非水-銀電極為參比電極，步驟一制備得到的電極為工作電極，然后分別以不同的金屬作為對(duì)電極，在步驟二制備的電解質(zhì)溶液中，采用循環(huán)伏安法，依次將不同的金屬對(duì)電極溶解至離子液體中，并沉積至工作電極上；

步驟四、將經(jīng)過步驟三制備得到的材料從電解槽中取出，多次清洗，最后烘干，即得多金屬單原子材料。

在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述步驟一中，氮摻雜石墨烯采用如下方法制備：將氧化石墨烯和尿素溶于去離子水中，超聲后加熱至溶液完全蒸發(fā)，得到氧化石墨烯和尿素的混合物，然后將所述混合物置于惰性氣氛的管式爐內(nèi)焙燒，即得。

進(jìn)一步的，所述氧化石墨烯和尿素的摩爾比為1:2。

優(yōu)選的，所述惰性氣氛為氬氣。

進(jìn)一步的，所述管式爐溫度為800℃，焙燒2小時(shí)。