[发明专利]一种以石墨烯为衬底的金属单原子二维材料的制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种单原子材料的制备及应用，具体地说是一种以石墨烯为衬底的金属单原子二维材料的制备及应用。

背景技术

当材料的尺度降低到单原子尺度时，与普通纳米材料相比，其具有极高的活泼性、独特的物理化学性质以及在技术方面潜在的诸多应用，这样的材料称为单原子材料。由于具有上述独特性质，单原子材料备受世界各地科学家的关注，是当今材料科学领域的研究热点。2011年，张涛课题组最早成功制备出单原子Pt/FeOx催化剂，在CO氧化和CO选择性氧化反应中表现出很高的催化活性和稳定性，并由此提出单原子催化的概念，参见Qiao,B.,Wang,A.,Yang,X.,Allard,L.F.,Jiang,Z.,&Cui,Y.,et al.(2011).Single-atom catalysis of co oxidation using pt1/feox.Nature Chemistry,3(8),634-641。2012年，E.Charles H.Sykes课题组利用单原子Pd分散在Cu(111)面上，该催化剂对于加氢反应具有良好的选择性，参见Kyriakou,G.,Boucher,M.B.,Jewell,A.D.,Lewis,E.A.,Lawton,T.J.,&Baber,A.E.,et al.(2012).Isolated metal atom geometries as a strategy for selective heterogeneous hydrogenations.Science,335(6073),1209-1212。2014年，包信和课题组制备的原子级Fe/SiO₂在甲烷无氧制乙烯及芳烃结构化方面取得突破性进展，参见Guo,X.,Fang,G.,Li,G.,Ma,H.,Fan,H.,&Yu,L.,et al.(2014).Direct,nonoxidative conversion of methane to ethylene,aromatics,and hydrogen.Science Foundation in China,344(6184),616-619。最近郑南峰课题组用简单的光化学方法合成的Pd/TiO₂单原子分散的催化剂，在烯烃加氢反应中具有极佳的活性，参见Liu,P.,Zhao,Y.,Qin,R.,Mo,S.,Chen,G.,&Gu,L.,et al.(2016).Photochemical route for synthesizing atomically dispersed palladium catalysts.Science,352(6287),797-800。在应用方面，目前单原子材料的研究主要集中在CO氧化、选择性加氢、水煤气变换等经典化学反应上，未来将进一步扩大单原子材料在传统领域的应用研究，同时拓展单原子研究体系，将其应用于燃料电池、光电催化等新兴领域。

单原子材料作为负载型材料，选择一种优良的载体材料至关重要。随着石墨烯的成功剥落，在过去十年里我们见证了二维材料的快速发展。二维材料如金属硫族化合物、过渡族金属氧化物、拓扑绝缘体以及其它的二维材料复合物获得了人们的广泛关注。由于具有独特的性能以及高的比表面积，这些二维材料在许多方面都具有应用潜力，例如光电设备、自旋设备、催化剂、化学和生物传感器、超电容、太阳能电池以及锂离子电池等领域。

二维材料具有极大的比表面积，将单原子与二维材料结合得到单原子二维材料是当下研究的一个热点。目前，单原子二维材料的主要制备方法为共沉积法、原子层沉积法、反OSTWALD熟化法以及逐步还原法。但是，上述方法存在以下问题：①制备过程操作复杂、不易把控，且成本很高，不利于推广应用；②单原子极大的表面自由能造成其在制备和反应时极易发生团聚耦合形成大的团簇，从而导致单原子率较低；③单原子与衬底之间存在较强的键合作用，极大的结合力严重制约着单原子的活性；④单原子稳定性差，极易与衬底脱离。综上，现有的制备方法根本无法得到真正意义上的单原子二维材料，因此，开发一种制备单原子二维材料的新方法是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的就是提供一种以石墨烯为衬底的金属单原子二维材料的制备方法，以解决现有方法制备过程复杂，所得产品单原子率低、稳定性差、活性低的问题。

本发明是这样实现的：一种以石墨烯为衬底的金属单原子二维材料的制备方法，包括以下步骤：