一种二维碳纳米片阵列负载金属单原子的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维碳纳米片阵列负载金属单原子的制备方法。该方法为：将预处理后的载体置于反应液中浸泡，取出晾干后得到MOF阵列前体材料；然后将MOF阵列前体材料进行焙烧处理，焙烧完成后经过或不经过刻蚀得到二维碳纳米片阵列负载金属单原子。本发明专利技术利用MOF的限域转化策略，首次实现金属单原子在一体化阵列载体表面的有效制备，解决了单原子催化剂催化活性及活性位利用率低、稳定性差的问题。二维碳纳米片的使用可以极大的提高材料的比表面积，有利于单原子的暴露及利用。此外，阵列结构可以促进电子在活性位点和集流体之间快速传递，同时也可以避免使用粘结剂，提高材料的稳定性。的稳定性。的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种二维碳纳米片阵列负载金属单原子的制备方法


[0001]本专利技术属于制备金属单原子
，具体涉及一种二维碳纳米片阵列负载金属单原子的制备方法。

技术介绍

[0002]随着人类社会和经济的快速发展，能源的不断消耗和环境的不断恶化成为我们不得不面对的关键问题。开发可再生的清洁能源转换技术如燃料电池、金属
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空气池和电解水技术等成为研究热点。这些清洁能源转换技术的核心是两极的一系列电化学反应。因此，合理设计具有优良活性和稳定性的电催化材料是加速两极反应、促进清洁能源转化技术发展的关键。目前常用的电催化材料是贵金属基材料，其高昂的价格和稀缺性成为制约清洁能源转换技术商业化发展的瓶颈。
[0003]近几年，单原子催化剂由于活性中心原子配位不饱和、载体效应及量子尺寸效应带来的高反应活性、选择性及百分之百的原子利用率受到了广泛关注。同时单原子催化剂作为一种简单模型为研究催化机理提供了便利。但是，单原子催化剂在具备这些优点的同时也存在诸多需要解决的问题，例如稳定性差，以及在实际应用中原子利用率远低于理论值。导致上述问题普遍存在的原因是传统的电极制备过程需要使用粘结剂将催化剂固定在集流体上。粘结剂的使用一方面不利于电解质的传输，另一方面也会导致活性位点被包埋在内部。除此之外，在长时间的测试过程中，粘结剂会出现分解，从而导致催化剂脱落，严重地降低了催化剂的稳定性。与传统的粉体材料相比，将催化剂直接生长在载体上可避免上述提及的问题。这种一体化的电极材料设计不仅可以简化电极制备过程还利于催化剂活性位点的暴露，同时材料与载体之间的致密接触可以降低电子转移电阻和提高材料稳定性。因此，通过构筑具有一体化结构的单原子催化剂来解决其稳定性差及原子利用率低的问题成为各国科研工作人员的研究热点。

技术实现思路

[0004]为了克服现有单原子催化剂应用中存在的问题，本专利技术提供一种二维碳纳米片阵列负载金属单原子的制备方法。
[0005]本专利技术所述的二维碳纳米片阵列负载金属单原子的制备方法一：将预处理后的载体置于反应液中浸泡15分钟
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24小时，取出晾干后得到MOF阵列前体材料；然后将MOF阵列前体材料进行焙烧处理，得到二维碳纳米片阵列负载金属单原子。
[0006]本专利技术所述的二维碳纳米片阵列负载金属单原子的制备方法二：将预处理后的载体置于反应液中浸泡15分钟
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24小时，取出晾干后得到MOF阵列前体材料；然后将MOF阵列前体材料进行焙烧处理，焙烧完成后经酸性或者碱性溶液刻蚀得到二维碳纳米片阵列负载金属单原子。
[0007]所述的载体为碳布、泡沫镍、镍箔、泡沫铜、铜箔、钛箔、石墨、碳纤维或导电玻璃。
[0008]所述预处理的方法为：将载体在氧化液中浸泡处理。所述的氧化液为高锰酸钾溶
液、过氧化氢溶液或硝酸溶液。
[0009]所述的反应液为金属盐溶液和配体溶液的混合液。所述的金属盐溶液和配体溶液的溶剂为甲醇、乙醇、水中的一种或几种。所述的配体溶液为2
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甲基咪唑、均苯三甲酸、对苯二甲酸中的一种或几种的溶液。
[0010]所述焙烧氛围为氮气、氢气、氩气中的一种或几种。
[0011]所述制备方法一的金属盐溶液为铁盐、钴盐、镍盐、铜盐、锰盐、钼盐中的一种或几种和锌盐的混合溶液；其中锌盐和其他金属盐的摩尔比例为4/1
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20/1。
[0012]所述制备方法一的焙烧的温度为800
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1100摄氏度，焙烧时间为5分钟
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5小时，升温速率为1
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10摄氏度/分钟。
[0013]所述制备方法二的金属盐溶液为铁盐、钴盐、镍盐、锌盐、铜盐、锰盐、钼盐中的一种或几种的溶液，其中锌盐和其他金属盐的摩尔比例小于4；所述焙烧的温度为800
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1100摄氏度，焙烧时间为5分钟
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5小时，升温速率为1
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10摄氏度/分钟。
[0014]所述制备方法二的金属盐溶液为铁盐、钴盐、镍盐、锌盐、铜盐、锰盐、钼盐中的一种或几种的溶液，其中锌盐和其他金属盐的摩尔比例小于20；所述焙烧的温度为400
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750摄氏度，焙烧时间为5分钟
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5小时，升温速率为1
‑
10摄氏度/分钟。
[0015]所述酸性或者碱性溶液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氢氧化锂溶液，刻蚀时间不超过24小时，但不为0。
[0016]所述的铁盐为硝酸铁、硫酸铁、氯化铁、醋酸铁中的一种或几种；所述的钴盐为硝酸钴、硫酸钴、氯化钴、醋酸钴的一种或几种；所述的锌盐为硝酸锌、硫酸锌、氯化锌、醋酸锌的一种或几种；所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍、氯化镍、醋酸镍的一种或几种；所述铜盐为硝酸铜、硫酸铜、氯化铜、醋酸铜的一种或几种；所述锰盐为硝酸锰、硫酸锰、氯化锰、醋酸锰的一种或几种；所述钼盐为硝酸钼、硫酸钼、氯化钼、醋酸钼的一种或几种。
[0017]本专利技术的有益效果：
[0018]本专利技术利用MOF的限域转化策略，首次实现金属单原子在一体化阵列载体表面的有效制备，解决了单原子催化剂催化活性及活性位利用率低、稳定性差的问题。本专利技术通过优化MOF制备过程中金属种类、含量及比例，以及转化过程中的条件，可实现不同金属单原子的高效制备。二维碳纳米片的使用可以极大的提高材料的比表面积，有利于单原子的暴露及利用。此外，阵列结构可以促进电子在活性位点和集流体之间快速传递，同时也可以避免使用粘结剂，提高材料的稳定性。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例1制得的中ZnCo
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MOF阵列前体材料的扫描电镜图；
[0020]图2是本专利技术实施例1制得的二维碳纳米片阵列负载钴单原子的扫描电镜图和球差校正扫描透射电镜图；
[0021]图3是本专利技术实施例1制得的二维碳纳米片阵列负载钴单原子的X
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射线吸收光谱图。
[0022]图4是本专利技术实施例2制得的二维碳纳米片阵列负载钴单原子的扫描电镜图。
具体实施方式
[0023]下面结合说明书附图及实施例对本专利技术的二维碳纳米片阵列负载金属单原子的制备方法进行详细说明。
[0024]实施例1
[0025]二维碳纳米片阵列负载Co单原子：
[0026]以碳布为载体，将碳布在0.5M的高锰酸钾溶液中浸泡30分钟。配制反应液：A液是0.4M的2
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甲基咪唑水溶液，B液是0.05M的硝酸锌和硝酸钴水溶液(锌钴比为4/1)；按体积比1:1混合A液和B液。将处理后的碳布浸入到反应液中静置2小时，取出后晾干得到ZnCo
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MOF阵列前体材料。将所制备的ZnCo
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MOF阵列前体材料置于氮气氛围的气氛炉中焙烧，焙烧温度为800摄氏度，升温速率为2摄氏度/分钟，焙烧时间为2小时。将焙烧之后的材料取出，即为二维碳纳米片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维碳纳米片阵列负载金属单原子的制备方法，其特征在于，所述的制备方法为：将预处理后的载体置于反应液中浸泡15分钟
‑
24小时，所述的反应液为金属盐溶液和配体溶液的混合液，取出晾干后得到MOF阵列前体材料；然后将MOF阵列前体材料进行焙烧处理，得到二维碳纳米片阵列负载金属单原子。2.一种二维碳纳米片阵列负载金属单原子的制备方法，其特征在于，所述的制备方法为：将预处理后的载体置于反应液中浸泡15分钟
‑
24小时，所述的反应液为金属盐溶液和配体溶液的混合液，取出晾干后得到MOF阵列前体材料；然后将MOF阵列前体材料进行焙烧处理，焙烧完成后经酸性或者碱性溶液刻蚀得到二维碳纳米片阵列负载金属单原子。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的载体为碳布、泡沫镍、镍箔、泡沫铜、铜箔、钛箔、石墨、碳纤维或导电玻璃。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述预处理的方法为：将载体在氧化液中浸泡处理；所述焙烧氛围为氮气、氢气、氩气中的一种或几种。5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的金属盐溶液和配体溶液的溶剂为甲醇、乙醇、水中的一种或几种；所述的配体溶液为2
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甲基咪唑、均苯三甲酸、对苯二甲酸中的一种或几种的溶液。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属盐溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵明飞，谢文富，卫敏，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：