[发明专利]一种碳-单原子金属复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种大规模制备碳‑单原子金属复合材料的方法，首先配制一定浓度的金属盐溶液；然后将密胺海绵(又叫三聚氰胺海绵)浸入上述盐溶液中；接着将海绵取出干燥；最后将干燥好的海绵在氮气或惰性气体氛围中进行高温退火还原，得到碳/单原子金属复合材料。本发明所提供的碳/单原子金属复合材料的制备方法工艺简单、原料来源丰富且成本低廉、制备过程绿色环保、且可进行批量化生产。

技术领域

本发明涉及一种碳复合材料制备的技术领域，尤其涉及一种碳-单原子金属复合材料的制备方法。

背景技术

在催化领域，单原子金属催化剂越来越受到极大关注(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)。单原子金属催化剂具有高活性高选择性。但是由于单原子金属拥有极高的表面能，因此大量制备单原子金属仍然是个挑战。在国际上，科研人员已开发出多种制备单原子金属的方法。如物理法原子层沉积法，但该方法需要在高真空环境下进行，因此成本非常高，另外产率也很低，非常不适合产业化应用的要求。同时，沉积的单原子与衬底之间由于缺少化学键，因此还存在长期稳定性的问题。而对于湿化学法(Acc.Chem.Res.2013,46,1740)，关键是要找到能够铆钉金属离子的衬底材料，最好是金属离子能够和衬底上的某些官能团能够成键，这样在后续的处理中，单原子金属就不会发生融合形成大的纳米颗粒。但目前来说，现有这种方法还存在如下缺点：衬底材料比较昂贵且很难成型，不易方便使用；衬底上单原子金属的负载量很低，不超过2wt％(Nat.Chem.2011,3,634)。本发明以商用密胺海绵为衬底，一方面海绵的来源丰富且价格低廉；另一方面，海绵上的N原子可以和金属离子形成复杂的配位体，从而可以牢固的铆钉金属离子，利于之后高温处理中，单原子的形成。单原子金属的负载量高达30wt％。

发明内容

技术问题：在于提供一种大规模制备碳-单原子金属复合材料的方法，该制备方法工艺简单环保，成本低廉，易于操作。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

(1)配制一定浓度的金属盐溶液；

(2)将密胺海绵(又叫三聚氰胺海绵)浸入上述盐溶液中浸泡一段时间，接着将海绵取出干燥；

(3)将干燥好的海绵在氮气或惰性气体氛围中进行高温退火还原，得到碳/单原子金属复合材料。

优选的，所述金属盐溶液包括：氯化铁、氯化亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、硝酸镍、氯化镍、硫酸镍、硝酸钴、氯化钴、硫酸钴、醋酸镍、醋酸钴、醋酸铁、醋酸亚铁、氯化锌、硝酸锌、硫酸锌等水溶液。

优选的，所述的金属盐溶液浓度：0.01M-1M。

优选的，所述的浸泡时间为30s-30min。

优选的，所述的干燥温度30-150℃。

优选的，所述的高温退火温度为：300-1300℃。

优选的，所述的退火时间为：1-10h。

有益效果：本发明所提供的碳/单原子金属复合材料的制备方法工艺简单、原料来源丰富且成本低廉、制备过程绿色环保、且可进行批量化生产。本发明以商用密胺海绵为原料衬底，利用海绵上的N原子对金属离子的铆钉作用，制备碳/单原子金属复合材料，在高温退火的过程中，由于金属离子被牢固的铆钉住，因此在高温还原成单原子金属时，不会因为单原子表面能超高而发生融合形成大颗粒金属颗粒的现象，另外，基于海绵具有高密度的N原子结构，因此铆钉的金属离子密度极高，直接的后果就是形成高密度的金属单原子分布，提高了负载量。另外，利用商用海绵易成型的优点，可以制备出大尺寸大规模不同形状的碳/单原子金属复合材料，方便应用使用。