一种钌/石墨烯复合二维材料及其制备方法与应用技术

本申请公开了一种钌/石墨烯复合二维材料及其制备方法与应用，所述钌/石墨烯复合二维材料，包括石墨烯和吸附在所述石墨烯上的金属钌，其中，所述金属钌呈单原子分散；所述钌/石墨烯复合二维材料中钌的负载量＞10wt％，该材料有效的解决了钌单原子的低载量问题。料有效的解决了钌单原子的低载量问题。

【技术实现步骤摘要】
一种钌/石墨烯复合二维材料及其制备方法与应用


[0001]本申请涉及一种钌/石墨烯复合二维材料及其制备方法与应用，属于材料领域。

技术介绍

[0002]2011年，中国科学院大连化学物理研究所张涛院士团队与清华大学李隽教授以及美国亚利桑那大学刘景月教授合作，报道了首例实用型单原子催化剂的制备与性能，并在此基础上提出了“单原子催化”的概念。当活性金属以原子级别分散于载体上形成单原子催化剂时，会表现出许多异于负载型纳米颗粒催化剂的特性，例如金属原子利用率达到最大、金属载体界面最大化、活性位组成结构均一等等。近年来，单原子催化剂因其高的原子利用率、明确的催化活性中心和高的催化性能而成为研究前沿与热点。但由于在制备过程中活性原子易于迁移和聚集，使得单原子催化剂的高载量可控制备仍存在巨大挑战。如何实现高密度的单原子催化活性位点是单原子分散催化剂迈向应用的关键。目前研究人员的高载量单原子催化剂的合成策略，包括湿化学法、高温裂解法、光化学法、电沉积和离子交换法等。其根本原理是利用金属-载体共价强相互作用制备出高载量的单原子催化剂，但是这些单原子的载量一般在10wt％以下。不仅如此，高度分散的贵金属原子，尤其是钌单原子因为其独特的电子结构很难与载体产生强相互作用，所以高载量的钌单原子制备是钌催化领域的研究课题。

技术实现思路

[0003]根据本申请的第一个方面，提供了一种钌/石墨烯复合二维材料，包括石墨烯和吸附在所述石墨烯上的金属钌，所述金属钌呈单原子分散，所述钌/石墨烯复合二维材料中钌的负载量＞10wt％，该材料有效的解决了钌单原子的低载量问题。
[0004]一种钌/石墨烯复合二维材料，包括石墨烯和吸附在所述石墨烯上的金属钌；
[0005]其中，所述金属钌呈单原子分散；
[0006]所述钌/石墨烯复合二维材料中钌的负载量＞10wt％。
[0007]本申请中呈单原子分散是指分散的金属钌粒子的直径≤0.2nm。
[0008]优选地，所述钌/石墨烯复合二维材料中钌的负载量为10wt％～30wt％。
[0009]可选地，所述的钌/石墨烯复合二维材料厚度为0.2～4nm。
[0010]可选地，所述的钌/石墨烯复合二维材料，比表面积为100～300m2g-1
。
[0011]本申请的第二个方面，提供了上述任一项所述的钌/石墨烯复合二维材料的制备方法，至少包括以下步骤：
[0012]a)制备含有钌前驱体、金属A前驱体和氧化石墨烯的分散液；
[0013]b)对所述分散液进行干燥、退火，得到钌+A/石墨烯二维材料，其中：
[0014]所述钌+A/石墨烯二维材料包括石墨烯和吸附在所述石墨烯上的金属钌和金属A，所述金属A的原子直径大于金属钌的原子直径；
[0015]c)通过腐蚀性液体腐蚀掉所述钌+A/石墨烯二维材料中的金属A，得到所述钌/石
墨烯复合二维材料。
[0016]可选地，步骤a)中所述分散液中的溶剂选自水、叔丁醇、乙醇中的至少一种，优选水。
[0017]可选地，所述步骤a)包括：
[0018]a-1)分别配制氧化石墨烯分散液、含有钌前驱体和金属A前驱体的溶液；
[0019]a-2)将所述含有钌前驱体和金属A前驱体的溶液加入到所述氧化石墨烯分散液中，混合得到含有钌前驱体、金属A前驱体和氧化石墨烯的分散液。
[0020]可选地，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的含量为0.1～10mg/mL。
[0021]可选地，在含有钌前驱体和金属A前驱体的溶液中，所述含有钌前驱体含量为15～25mg/mL、金属A前驱体的含量为30～50mg/mL。
[0022]可选地，步骤a-2)中以逐滴加入的方式将所述含有钌前驱体和金属A前驱体的溶液加入到所述氧化石墨烯分散液中，滴加时间为5～20min。
[0023]可选地，步骤a-2)中所述的混合具体包括：室温下搅拌10～30min。本申请中室温是指10～40℃。
[0024]可选地，所述氧化石墨烯的氧含量为10at％～80at％。
[0025]可选地，所述钌前驱体选自三氯化钌和/或三氯化钌水合物。
[0026]可选地，所述金属A选自镧、铈、锆中的至少一种。
[0027]可选地，所述金属A前驱体选自金属A的硝酸盐、氯化物、醋酸盐中的至少一种。
[0028]可选地，所述钌前驱体与金属A前驱体的质量比为0.1～3:1，优选0.1～1.5：1。
[0029]可选地，所述钌前驱体与氧化石墨烯的质量比为0.03～4:1，优选0.2～2：1。
[0030]步骤(1)中所述氧化石墨烯在所述分散液中的含量为0.1～10mg/mL。
[0031]可选地，步骤b)所述干燥为冷冻干燥；
[0032]可选地，步骤b)中，在冷冻干燥机中使用液氮进行所述冷冻。
[0033]可选地，步骤b)中干燥的具体条件包括：
[0034]干燥温度为-100～-25℃；
[0035]干燥气压为10～40Pa；
[0036]干燥时间为1～5天。
[0037]可选地，步骤b)所述退火的具体条件包括：
[0038]在还原性气氛下进行；
[0039]退火温度为200～600℃，优选300～600℃；
[0040]退火时间为2～10h。
[0041]可选地，所述还原性气氛选自氢气、氨气、一氧化碳中的至少一种。
[0042]可选地，步骤C)所述腐蚀性液体为强酸溶液；
[0043]可选地，所述强酸溶液的浓度为1～10摩尔每升(M)。
[0044]可选地，步骤C)腐蚀时间为0.01～100h。
[0045]所述强酸选自硝酸、盐酸中的至少一种。
[0046]作为一种具体实施方式，本专利技术是这样实现的：一种钌单原子/石墨烯二维材料(即钌/石墨烯复合二维材料)的制备方法，包括以下步骤：
[0047](1)将钌前驱体、金属A前驱体和氧化石墨烯用去离子水溶解配制成溶液，其中，钌
前驱体为三氯化钌或三氯化钌水合物，金属A选自镧、铈、锆，所述金属A前驱体选自金属A的硝酸盐，氯化盐，醋酸盐。
[0048](2)将步骤(1)中混合溶液冷冻，再将冷冻后的产品置于冷冻干燥机中，除去水分，得到以钌+A前驱体/氧化石墨烯二维材料，其中，冷冻干燥是使用液氮冷冻，冷冻干燥机干燥。
[0049](3)将步骤(2)得到的钌+A前驱体/氧化石墨烯二维材料使用还原性气体退火，其中，所述还原性气体是用氢气、氨气、一氧化碳中的至少一种；退火温度为200～600℃，得到钌+A/石墨烯二维材料；
[0050](4)通过腐蚀性液体腐蚀掉所述钌+A/石墨烯二维材料中的金属A，得到所述钌单原子/石墨烯二维材料。
[0051]根据本申请的第三方面提供了上述任一项所述的钌/石墨烯复合二维材料、上述任一项所述的制备方法制备的钌/石墨烯复合二维材料中的至少本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钌/石墨烯复合二维材料，其特征在于，包括石墨烯和吸附在所述石墨烯上的金属钌；其中，所述金属钌呈单原子分散；所述钌/石墨烯复合二维材料中钌的负载量＞10wt％。2.根据权利要求1所述的钌/石墨烯复合二维材料，其特征在于，所述钌/石墨烯复合二维材料的厚度为0.2～4nm。3.根据权利要求1所述的钌/石墨烯复合二维材料，其特征在于，所述钌/石墨烯复合二维材料的比表面积为100～300m2g-1
。4.权利要求1～3任一项所述的钌/石墨烯复合二维材料的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：a)制备含有钌前驱体、金属A前驱体和氧化石墨烯的分散液；b)对所述分散液进行干燥、退火，得到钌+A/石墨烯二维材料，其中：所述钌+A/石墨烯二维材料包括石墨烯和吸附在所述石墨烯上的金属钌和金属A，所述金属A的原子直径大于金属钌的原子直径；c)通过腐蚀性液体腐蚀掉所述钌+A/石墨烯二维材料中的金属A，得到所述钌/石墨烯复合二维材料。5.权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)包括：分别配制氧化石墨烯分散液、含有钌前驱体和金属A前驱体的溶液；将所述含有钌前驱体和金属A前驱体的溶液加入到所述氧化石墨烯分散液中，混合得到含有钌前驱体、金属A前驱体和氧化石墨烯的分散液；优选地，以逐滴加入的方式将所述含有钌前...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴忠帅，李亚光，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：