一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料及其制备方法与应用，首先通过化学聚合法制备得到导电高分子，然后通过浸渍法将其与金属前驱体盐进行混合搅拌、离心洗涤和冷冻干燥，以使金属前驱体盐吸附并锚定在导电高分子上，最后通过氢氩还原法将金属前驱体盐还原为金属单原子，获得导电高分子/金属单原子纳米复合材料。该导电高分子/金属单原子纳米复合材料可充分利用导电高分子材料中的硫、氮、氧等基团，以锚定金属单原子。导电高分子材料具有原料来源广泛、分子结构可设计性强、材料成本低等优势。该制备工艺简单易操作，所得的导电高分子/金属单原子纳米复合材料的性能良好，具有极其广阔的应用范围。具有极其广阔的应用范围。具有极其广阔的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于高分子纳米复合材料
，尤其是涉及一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料及其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]导电高分子因其独特的结构，不仅具有金属特性和半导体特性，还具有高分子优异的机械性能和可加工性，在电化学器件、光电器件和传感器件的研发中发挥着重要作用。
[0003]金属单原子由于具有原子利用率高、原子结构可设计性强等优势，近年来受到了极大的关注。与传统的金属纳米颗粒不同，金属单原子具有较高的表面能，其容易发生聚集，需要选择一个与金属单原子之间具有强相互作用的合适载体材料，将金属单原子锚定在载体材料上，抑制金属单原子的迁移团聚，从而实现金属组分的原子级分散。导电高分子可以作为锚定金属单原子的良好载体。相比于传统的碳材料，导电高分子具有结构可设计性强、所含硫、氧或氮配位原子多等优势。导电高分子中的硫、氧或氮配位原子可用于锚定金属单原子，同时也会对复合材料的结构和性能产生影响。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题与不足，本专利技术提供一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料及其制备方法及应用。其制备条件更为温和，无需高温碳化，保留了导电高分子的特征和优势。导电高分子具有丰富的含硫、氧或氮基团，可用于锚定金属单原子，同时其对复合材料的结构和性能会产生一定的影响。
[0005]本专利技术的第一个方面，是提供一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：/>[0006](1)将高分子单体溶于有机溶剂中，通入氮气，在冰水浴搅拌条件下加入引发剂的酸溶液，静置反应一段时间后，制备得到导电高分子；
[0007](2)将所述导电高分子加入水中，通过超声分散处理得到导电高分子分散液后，加入金属前驱体盐，并持续搅拌得到导电高分子/金属前驱体盐的混合溶液；
[0008](3)将所述混合溶液进行离心，对离心产物进行冷冻干燥处理后，将其放入管式炉中，在氢氩混合气体氛围中进行还原，最终制备得到导电高分子/金属单原子纳米复合材料。
[0009]含氧基团可作为配位原子，用于锚定金属单原子。但是，在传统常规的复合材料制备过程中，通常采用的是对导电高分子材料进行碳化处理后，得到金属单原子
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碳纳米复合材料；但高温碳化导致导电高分子表面的含氧基团大部分被除去，因此需要额外酸氧化处理，以达到在表面修饰含氧基团的目的。而本专利技术的导电高分子/金属单原子纳米复合材料的制备方法过程中无需碳化，故仍旧保持导电高分子本身含有的氧基团。而氧基团含有孤对电子，可用于锚定金属单原子。当使用不同导电高分子时，可以具有不同种类和含量的基
团，比如硫基团、氮基团、氧基团，这些基团都具有孤对电子，可用于锚定金属单原子。因此，本专利技术导电高分子/金属单原子纳米复合材料没有经过碳化，保留了导电高分子的硫、氮或氧基团，可用于锚定金属单原子，同时也会对复合材料的性能产生一定影响。而且，制备条件更为温和，无需高温碳化。
[0010]在一种实施案例中，所述步骤(1)中高分子单体和引发剂的摩尔比为1∶1～1∶6，优选的为1∶1。
[0011]在一种实施案例中，所述步骤(1)中单体包括噻吩、呋喃、吡咯中的至少一种，优选的为噻吩。
[0012]在一种实施案例中，所述步骤(1)中所述有机溶剂包括N，N
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二甲基甲酰胺、N，N
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二甲基乙酰胺或氯仿的至少一种，优选的为氯仿。
[0013]在一种实施案例中，所述步骤(1)中所述引发剂包括过硫酸铵、三氯化铁、硝酸铁或过硫酸钾的至少一种，优选的为过硫酸铵。
[0014]在一种实施案例中，所述步骤(1)中所述酸包括硫酸或盐酸的至少一种，优选的为硫酸。
[0015]在一种实施案例中，所述步骤(1)中引发剂的酸溶液的浓度为1.0～2.0mol/L，其中酸的浓度为0.5～1.0mol/L，优选的引发剂的酸溶液的浓度为2.0mol/L，优选的酸的浓度为1.0mol/L。
[0016]在一种实施案例中，所述步骤(1)中静置反应的时间为4～12h，优选的为12h。
[0017]在一种实施案例中，所述步骤(2)中导电高分子包括聚噻吩、聚呋喃、聚吡咯中的至少一种，优选的为聚噻吩。
[0018]在一种实施案例中，所述步骤(2)中金属前驱体盐的金属元素包括铱、钌、铂、钯、铑、镍、钴、铜中的至少一种，金属前驱体盐的种类包括氯化盐、乙酰丙酮盐、羰基盐中的至少一种，优选的为四氯化铱。
[0019]在一种实施案例中，所述步骤(2)中超声分散处理0.5～2h，优选的超声分散处理时间为2h。
[0020]在一种实施案例中，所述导电高分子分散液的浓度为0.5～2.0g/L，优选的导电高分子分散液浓度为2.0g/L。
[0021]在一种实施案例中，所述步骤(2)中金属前驱体盐溶液的浓度为0.1～2.0g/L，优选的为2.0g/L。
[0022]在一种实施案例中，所述步骤(2)中持续搅拌的时间为2～10h，优选的为8h。
[0023]在一种实施案例中，所述步骤(3)中洗涤次数为1～3次，优选的为1次。
[0024]在一种实施案例中，所述步骤(3)中还原温度为100～150℃，加热速率为1～10℃/min，保温时间为1～5h，优选的还原温度为100℃、加热速率为2℃/min、保温时间为1h。
[0025]另一方面，本专利技术提供了一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料，是由上述方法制备而成。
[0026]在一种实施案例中，所述导电高分子/金属单原子纳米复合材料的的金属元素含量为1.0wt％～4.0wt％，并保留了导电高分子的结构可设计性和优势。
[0027]另一方面，本专利技术还提供一种上述制备方法的应用或一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料的应用，包括应用于催化、电化学储能、电磁波屏蔽及吸波、传感及电子器
件等领域。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0029]1、本专利技术制备所得的导电高分子/金属单原子纳米复合材料可充分利用导电高分子材料中的硫、氮、氧等基团，以锚定金属单原子，最终制备得到的导电高分子/金属单原子纳米复合材料的金属元素含量为1.0wt％～4.0wt％。
[0030]2、本专利技术使用的导电高分子材料具有原料来源广泛、分子结构可设计性强、材料成本低等优势。通过对导电高分子材料的分子结构进行设计(配位原子种类和数量不同)，可实现对所锚定金属单原子配位结构及纳米复合材料性能的调控。调控配位原子是指通过改变导电高分子中的硫、氮或氧配位原子，以达到复合材料的结构设计。例如，通过聚噻吩、聚呋喃、聚吡咯锚定金属单原子可以分别形成金属
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硫键、金属
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氧键、金属
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氮键，同时金属
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硫键、金属
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氧键、金属
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将高分子单体溶于有机溶剂中，通入氮气，在冰水浴搅拌条件下加入引发剂的酸溶液，静置反应，制备得到导电高分子；(2)将所述导电高分子加入水中，通过超声分散处理得到导电高分子分散液，加入金属前驱体盐，并持续搅拌得到导电高分子/金属前驱体盐的混合溶液；(3)将所述混合溶液进行离心，对离心产物进行冷冻干燥处理后，在氢氩混合气体氛围中进行还原，最终制备得到导电高分子/金属单原子纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中高分子单体和引发剂的摩尔比为1∶1～1∶6。3.根据权利要求1所述的一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中单体包括噻吩、呋喃、吡咯中的至少一种；所述步骤(1)中所述有机溶剂包括N，N
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二甲基甲酰胺、N，N
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二甲基乙酰胺或氯仿的至少一种；所述步骤(1)中所述引发剂包括过硫酸铵、三氯化铁、硝酸铁或过硫酸钾的至少一种；所述酸溶液包括硫酸或盐酸的至少一种。4.根据权利要求1所述的一种导电高分子/金属单原子纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中导电高分子包括聚噻吩、聚呋喃、聚吡咯中的至少一种；所述步骤(2)中金属前驱体盐的金属元素包括铱、钌、铂、钯、铑、镍、钴、铜中的至少一种，金属前驱体盐包括氯化盐、乙酰丙酮盐、羰基盐中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张龙生，白京，吴振中，张亦喆，郑慧，刘天西，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：