一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料、制备方法及其应用，属于纳米新材料制备技术领域，首先在石墨相氮化碳(g

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于纳米新材料制备
，涉及一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]能源和环境是当今世界面临的两大难题，持续、清洁的能源转换和储能技术受到极大的关注。目前，包括过渡金属(如铁、钴、镍等)在内的诸多金属已被开发用于制备高效的电化学储能材料和电催化剂材料，应用于碱金属离子电池、锂
‑
空气电池、燃料电池、析氢反应、CO2还原等电化学领域。
[0003]单原子材料(SAMs)凭借原子利用率最大化、充分暴露潜在活性位点和有效节省金属资源等优势，近年来逐渐成为了催化和材料研究领域的热点。然而，SAMs的单个金属原子具有较高的表面自由能，它们在化学上不稳定，倾向于聚集成金属纳米颗粒。选择具有氮掺杂、大比表面积且良好导电性的碳纳米基体空心材料作为单原子载体有利于捕获更多的金属原子，并使其分散均匀，最终达到提高原子利用率和稳定性的目的。除此之外，大多数单原子的制备方法对设备、制备条件要求苛刻，限制了单原子的研究进展，简单有效的单原子复合材料的制备技术面临挑战。因此，开发一种简单可控的、能够制备高度分散单原子材料的方法非常必要。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对上述提出的问题，提供一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料、制备方法及其应用。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料的制备方法，首先在石墨相氮化碳(g
‑
C3N4)纳米环模板表面负载金属氧化物，再进行高分子聚合物包覆得到三明治结构，最后高温碳化，g
‑
C3N4模板分解，得到氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料，所述制备方法包括以下步骤：
[0006]步骤1，配制g
‑
C3N4纳米环和金属盐的混合溶液，通过水热法在g
‑
C3N4纳米环模板表面负载金属氧化物得到g
‑
C3N4@MO
x
；其中，g
‑
C3N4纳米环与金属盐的质量比为1:(0.5
‑
1.5)。
[0007]步骤2，在步骤1得到的产物g
‑
C3N4@MO
x
表面进行高分子聚合物包覆，得到三明治结构；
[0008]步骤3，将步骤2得到的产物高温碳化，使g
‑
C3N4模板分解，得到氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料。
[0009]所述制备方法的具体步骤如下：
[0010]进一步的，所述步骤1中：将g
‑
C3N4纳米环和金属盐同时分散于去离子水中形成分散液，在150
‑
170℃下保温2
‑
4h，完成水热反应，得到固体产物g
‑
C3N4@MO
x
，进行洗涤干燥；其
中，所述的g
‑
C3N4纳米环的外径为100
‑
200nm，内径为50
‑
100nm；所述金属盐是硝酸盐、乙酸盐或氯化物中的一种，金属为Fe，Co，Ni，Sn中的一种。
[0011]更进一步的，所述步骤1中的金属盐优选自硝酸铁、乙酸钴、氯化镍、四氯化锡中的一种。
[0012]进一步的，所述步骤2中：所述的高分子聚合物为酚醛树脂、聚多巴胺、聚酰亚胺中的一种，g
‑
C3N4@MO
x
与高分子聚合物的质量比为1:(1.0
‑
3.0)。
[0013]当包覆的高分子聚合物为酚醛树脂时，步骤2具体为：将g
‑
C3N4@MO
x
分散于去离子水中，再加入间苯二酚和甲醛，室温下搅拌聚合6
‑
12h，完成高分子聚合物包覆，得到的产物进行洗涤干燥；
[0014]当包覆的高分子聚合物为聚多巴胺时，步骤2具体为：将g
‑
C3N4@MO
x
分散于缓冲溶液中，再加入盐酸多巴胺，室温下搅拌聚合6
‑
12h，完成高分子聚合物包覆，得到的产物进行洗涤干燥；
[0015]当包覆的高分子聚合物为聚酰亚胺时，步骤2具体为：将g
‑
C3N4@MO
x
分散于N,N
‑
二甲基乙酰胺溶液中，再加入联苯二酐和苯二胺，室温下搅拌聚合6
‑
12h，完成高分子聚合物包覆，得到的产物进行洗涤干燥。
[0016]进一步的，所述步骤3中：所述碳化温度为600
‑
800℃，碳化气氛为氮气或氩气，碳化时间为2
‑
4小时。
[0017]一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料，由上述制备方法制备得到，以氮掺杂中空碳纳米环为基体，金属单原子直接负载于基体上，具备高度分散性特点，展现出优异的电化学性能。
[0018]一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料的应用，应用于电化学储能和电催化领域。
[0019]本专利技术的原理及创新点在于：g
‑
C3N4纳米环模板高温分解可产生含有大量氮物种的中间产物，这些含氮物种可与金属形成配位化学键，促进金属氧化物向金属单原子的转化，并最终与高分子衍生碳形成稳定的氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子的复合材料。同时，包覆在金属氧化物和含氮前驱体表面的高分子聚合物及其衍生碳具有空间限域效应，促进了金属单原子在含氮碳基体中的有效分散和氮掺杂中空碳纳米环结构的形成。由于氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料具有高原子利用率、大量活性位点等优势，展现出优异的电化学性能。同时，中空碳纳米环可以提供高比表面和丰富的孔结构，为电化学反应提供更多的活性中心和扩散通道，促进电化学反应的动力学过程。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0021](1)本专利技术制备一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料，工艺过程合理高效。首先合成了以g
‑
C3N4为内核、金属氧化物为夹层、高分子聚合物为包覆层的复合结构，碳化处理过程，g
‑
C3N4模板高温分解产生的含N物种中间产物可与金属氧化物反应形成金属与氮配位的化学键，促进金属氧化物向金属单原子的转化，得到氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料。
[0022](2)g
‑
C3N4模板在高分子聚合物内部分解，空间限域作用下强电负性的N原子掺杂进入高分子聚合物衍生碳，得到高氮掺杂的中空碳纳米环结构。该中空碳纳米环结构可以提供高比表面和丰富的孔结构，为电化学反应提供更多的活性位点和扩散通道，促进电化
学反应的动力学过程。
[0023](3)本专利技术的制备技术相比于其他制备单原子材料的工艺，过程可控，对设备条件要求较低。
[0024](4)本专利技术制备的氮掺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：步骤1，配制g
‑
C3N4纳米环和金属盐的混合溶液，通过水热法在g
‑
C3N4纳米环模板表面负载金属氧化物得到g
‑
C3N4@MO
x
；其中，g
‑
C3N4纳米环与金属盐的质量比为1:(0.5
‑
1.5)；步骤2，在步骤1得到的产物g
‑
C3N4@MO
x
表面进行高分子聚合物包覆，得到三明治结构；其中，g
‑
C3N4@MO
x
与高分子聚合物的质量比为1:(1.0
‑
3.0)；步骤3，在氮气或氩气气氛下，将步骤2得到的产物在600
‑
800℃温度下进行高温碳化2
‑
4小时，使g
‑
C3N4模板分解，得到氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料。2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中：将g
‑
C3N4纳米环和金属盐同时分散于去离子水中形成分散液，在150
‑
170℃下保温2
‑
4h，完成水热反应，得到固体产物g
‑
C3N4@MO
x
，进行洗涤干燥。3.根据权利要求2所述的一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料的制备方法，其特征在于，所述的g
‑
C3N4纳米环的外径为100
‑
200nm，内径为50
‑
100nm。4.根据权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾李申，赵宗彬，王旭珍，邱介山，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：