一种单原子纳米森林复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种单原子纳米森林复合材料及其制备方法与应用，所述单原子纳米森林复合材料包括基底

【技术实现步骤摘要】
一种单原子纳米森林复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及到单原子材料制备领域，具体涉及一种单原子纳米森林复合材料及其制备方法与应用
。

技术介绍

[0002]电催化剂在这些电化学反应中起着至关重要的作用，其中金属基纳米材料是多相催化剂的主要类型，现有技术研究表明，减小金属纳米粒子的粒径可以有效地提高其催化性能
。
随着纳米粒子粒径的减小，将会有更大比例的原子暴露在表面，表面原子结构
、
电子结构和表面缺陷也随之发生变化
。
随着团簇尺寸的减小，未配位原子的比例大大增加，这使得电催化剂具有更高的活性
。
基于此，在原子水平上调整金属纳米团簇的结构，并将金属纳米团簇的尺寸减小到负载的单个原子的大小，可最大限度地提高原子利用率以及提高电催化性
。
[0003]单原子催化剂虽具有独特的原子结构和电子特性，可最大限度地提高原子利用效率并从本质上提高催化活性，但由于单个的金属原子具有极大的表面能，在表面能的驱使下单个的金属原子极易发生迁移聚集，使催化剂失去活性，如何将单个的金属原子稳定是目前制备单原子催化剂的关键
。
例如，通过金属氧化物
、
氮化物
、
硫化物或碳衍生基质上的配位位点
(
例如氧
、
氮和硫
)
来固定金属单原子
。
然而，这些基底表面的配位位点有限，通常不足以锚定高含量金属单原子，仍易发生聚集r/>。
此外，这些基底上形成并锚定金属单原子通常涉及烧结过程，这将导致金属单原子的不规则分布，并且一些金属单原子会被塌陷的基底所包裹，导致催化活性的降低
。
多孔骨架的热转变是制备金属单原子的另一种典型方法
。
然而，孔的大小限制了金属前驱体的种类，导致金属单原子的多样性相对较差
。
此外，上述这类制备单原子催化剂的方法操作相对复杂，且金属单原子的负载量也在较低的水平，因此，限制了单原子催化剂的实际应用
。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种单原子纳米森林复合材料及其制备方法与应用，通过在导电基底上制备嵌段聚合物胶束刷，利用胶束刷的高比表面积以及丰富的配位基团来捕获金属离子，从而稳定的锚定金属单原子，并达到高负载水平
。
这类单原子纳米森林复合材料可同时负载多种金属单原子，在高含量
、
不同种类的金属单原子以及复合材料三维结构的协同作用下，使其在电化学
(
析氢，析氧，海水电解，二氧化碳还原等
)、
光电化学等方面表现出高催化活性
。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术第一方面提供了一种单原子纳米森林复合材料，所述单原子纳米森林复合材料包括导电基底，生长在所述导电基底表面的嵌段聚合物胶束刷，以及被锚定在所述嵌段聚合物胶束刷表面的金属单原子
。
[0007]进一步地，所述导电基底为泡沫镍
、
碳布或石墨烯
。
[0008]进一步地，所述嵌段聚合物包括成核链段和成壳链段，所述成核链段选自聚二茂铁硅烷类
、
聚噻吩类
、
聚乳酸类
、
聚乙烯类
、
聚己内酯类
、
聚苯撑乙烯类
、
聚芴类等聚合物中的一种，所述成壳链段选自括聚苯乙烯类
、
聚乙烯基吡啶类
、
聚丙烯酸酯类
、
聚甲基丙烯酸酯类
、
聚丙烯酰胺类聚合物中的一种或多种；在一些优选的实施例中，所述嵌段聚合物为聚二茂铁硅烷与聚二乙烯基吡啶形成的聚二茂铁硅烷
‑
b
‑
聚二乙烯基吡啶
。
[0009]进一步地，所述金属单原子选自
Mg、Al、Ca、Sc、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Sr、Y、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Cs、Ba、Ce、Gd、Er、Hf、Ta、W、Ir、Pt、Au、Pb
中的一种或多种
。
[0010]本专利技术第二方面提供了一种第一方面所述的单原子纳米森林复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)
通过结晶驱动自组装的方法，在导电基底表面生长嵌段聚合物胶束刷；
[0012](2)
将上述制备得到的嵌段聚合物胶束刷浸泡在金属盐溶液中，然后取出
、
干燥得到所述单原子纳米森林复合材料
。
[0013]进一步地，步骤
(1)
中，所述嵌段聚合物胶束刷的制备包括以下步骤：
[0014]S1
：通过聚合反应制备具有成核链段和成壳链段的结晶性嵌段聚合物；
[0015]S2
：将
S1
制备的嵌段聚合物在
40
‑
90℃
条件下溶于醇类溶剂中，然后降温使嵌段共聚物自组装，再超声处理，得到柱状胶束晶种；
[0016]S3
：对导电基底表面进行亲水预处理，然后将
S2
制备得到的柱状胶束晶种负载至亲水预处理后的导电基底表面，静置后去除未与导电基体固定的晶种，得到负载柱状胶束晶种的导电基底；
[0017]S4
：将
S3
制备的负载柱状胶束晶种的导电基底浸泡于醇类溶剂中，得到溶液
A
，再将
S1
制备的嵌段聚合物溶于四氢呋喃中，得到溶液
B
，将溶液
B
滴加至溶液
A
中，振荡后静置，然后取出导电基底并去除表面未固定的嵌段聚合物，得到所述嵌段聚合物胶束刷
。
[0018]进一步地，
S1
中，所述成核链段选自聚二茂铁硅烷类
、
聚噻吩类
、
聚乳酸类
、
聚乙烯类
、
聚己内酯类
、
聚苯撑乙烯类
、
聚芴类等聚合物中的一种；所述成壳链段选自括聚苯乙烯类
、
聚乙烯基吡啶类
、
聚丙烯酸酯类
、
聚甲基丙烯酸酯类
、
聚丙烯酰胺类聚合物中的一种或多种
。
[0019]进一步地，
S2
中，所述醇类溶剂为甲醇
、
乙醇
、
丙醇或异丙醇
。
[0020]进一步地，
S2
中，所述超声处理的功率优选为
50
‑
150W
，时间优选为
60
‑
120min。
[0021]进一步地，
S3...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种单原子纳米森林复合材料，其特征在于，所述单原子纳米森林复合材料包括导电基底，生长在所述导电基底表面的嵌段聚合物胶束刷，以及被锚定在所述嵌段聚合物胶束刷表面的金属单原子
。2.
根据权利要求1所述的单原子纳米森林复合材料，其特征在于，所述导电基底为泡沫镍
、
碳布或石墨烯
。3.
根据权利要求1所述的单原子纳米森林复合材料，其特征在于，所述嵌段聚合物包括成核链段和成壳链段，所述成核链段选自聚二茂铁硅烷类
、
聚噻吩类
、
聚乳酸类
、
聚乙烯类
、
聚己内酯类
、
聚苯撑乙烯类
、
聚芴类聚合物中的一种，所述成壳链段选自括聚苯乙烯类
、
聚乙烯基吡啶类
、
聚丙烯酸酯类
、
聚甲基丙烯酸酯类
、
聚丙烯酰胺类聚合物中的一种或多种
。4.
根据权利要求3所述的单原子纳米森林复合材料，其特征在于，所述嵌段聚合物为聚二茂铁硅烷
‑
b
‑
聚二乙烯基吡啶
。5.
根据权利要求1所述的单原子纳米森林复合材料，其特征在于，所述金属单原子选自
Mg、Al、Ca、Sc、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Sr、Y、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Cs、Ba、Ce、Gd、Er、Hf、Ta、W、Ir、Pt、Au、Pb
中的一种或多种
。6.
一种权利要求1‑5任一项所述的单原子纳米森林复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
通过结晶驱动自组装的方法，在导电基底表面生长嵌段聚合物胶束刷；
(2)
将上述制备得到的嵌段聚合物胶束刷浸泡在金属盐溶液中，然后取出
、
干燥得到所述单原子纳米森林复合材料
。7.
根据权利要求6所述的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱惠斌，孙炎，
申请(专利权)人：苏州阳池科技有限公司，
类型：发明
国别省市：