[发明专利]一种具有高单原子负载量的碳材料、制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种具有高单原子负载量的碳材料、制备方法及其应用，该方法包括：利用空间限域法将具有单个原子的二茂化合物包裹在瓜环的腔体内，从而得到具有高单原子负载量的碳材料。本发明通过将二茂化合物包裹在瓜环的疏水空腔内限制了高温下金属的迁移以及提高了金属迁移所需的能量，从而可阻止金属团聚的发生。此外，由于瓜环本身富含氮元素，因此可将其作为不定型碳的碳源和优质的氮锚定位点，使得过渡金属被锚定在材料中，进而可提高单原子形成的可能性。本发明的复合碳材料具有高单原子负载量、高稳定性和优异的电催化性能，将其应用于电化学催化、有机催化、生物传感器、超级电容器、锂离子电池等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及先进纳米材料技术领域，且特别涉及一种具有高单原子负载量的碳材料、制备方法及其应用。

背景技术

随着人口环境压力的逐年增加，化石燃料将在不久的将来逐渐衰竭。因此，发展新型绿色新能源迫在眉睫。电催化被广泛应用于电化学能源的转换，且其在电化学催化合成、环境电化学、催化降解等方面也具有广阔的应用前景。燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置，其发电效率高且环境污染少。燃料电池的阴极半反应为电催化氧化还原，因此设计合理有效的催化剂对于推动新型清洁能源的发展和供给具有重大意义，进而可在新能源汽车、新能源便携智能设备和生物医疗设备等方面表现出巨大的应用价值和市场潜力。

单原子催化即具有催化活性的金属以单原子的形式与载体异原子相互作用，并以键合的方式锚定在载体上且彼此孤立、高度分散的一类催化剂。单原子催化的活性中心并不是零价的单个金属。实际上，单原子与其他原子配位后会发生电子转移，使其呈现出电荷性。因此，与周围环境的配位原子发生协同作用是单原子催化剂具有高活性的主要原因。单原子催化剂具有高选择性、高反应活性、高原子利用率和对环境友好等特点。尤其是对于非贵金属单原子催化剂来说，其价格低廉且性能优异，是现今商业化Pt/C催化剂所不具备的。

但是，现有的单原子催化复合材料主要集中在二维材料上，其单原子载量普遍不高，仅为0.2wt％～10wt％。选择合适的载体作为单原子宿主有利于捕获更多的金属原子，从而可进一步提高单原子的载量并使其分散均匀，最终达到提高原子利用率和性能的目的。因此，开展具有高载量、高分散单原子的三维立体催化材料的研究非常必要。此外，载量的提高容易使高载量单原子催化剂产生金属团聚从而生成无用的位点，所以需要将催化活性中心均匀分散，否则高载量并不能为催化剂带来高活性。因此，研究如何让金属原子稳定存在在载体上也至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高单原子负载量的碳材料，此碳材料具有较高的单原子负载量、稳定性以及优异的电催化性能。

本发明的另一目的在于提供一种具有高单原子负载量的碳材料的制备方法，其利用空间限域法将瓜环包覆在二茂化合物上，从而得到具有高单原子负载量的碳材料，该方法操作简单且参数可控，适用于工业化大规模生产。

本发明的第三个目的在于提供一种具有高单原子负载量的碳材料在有机催化、电化学催化或生物传感器中的应用，利用负载在碳材料上的大量过渡金属单原子作为活性位点，使其具有优异的电催化性能，能直接应用于电化学催化、有机催化、生物传感器、超级电容器、锂离子电池等领域，具有广阔的应用前景，且对材料科学、电化学、催化化学和能源化学等前沿科学领域具有重要的科学意义。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种具有高单原子负载量的碳材料的制备方法，利用空间限域法将二茂化合物包裹在瓜环的腔体内，得到具有高单原子负载量的碳材料。

本发明提出一种具有高单原子负载量的碳材料，其根据上述的制备方法制得，所述具有高单原子负载量的碳材料的单原子负载量为1～15％。

本发明还提供出上述具有高单原子负载量的碳材料在有机催化、电化学催化或生物传感器中的应用。