一种利用火焰还原制备碳纳米管负载金属单原子的方法

技术领域

本发明属于金属单原子制备技术领域，具体涉及一种利用火焰还原制备碳纳米管负载金属单原子的方法。

背景技术

随着能源枯竭及环境问题的日益严重，开发可再生的清洁能源转换技术(燃料电池、金属-空气池和电解水技术)迫在眉睫。清洁能源转换技术的核心是两极的一系列电化学反应，而电极反应的顺利进行离不开高活性及稳定性的催化剂的参与。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商业化发展的关键。

近几年，单原子催化剂由于具有较高的反应活性、选择性及百分之百的原子利用率受到了广泛关注。其较高的活性来自于活性中心原子配位不饱和、载体效应及量子尺寸效应。同时单原子催化剂对于催化机理的研究更为深入和简便。但是，繁琐的制备过程以及较差的稳定性限制了单原子催化剂的大规模应用。目前常用的单原子的制备方法有湿化学法、热解法、电化学法及物理沉积法。上述制备方法不仅需要严苛的操作条件，制备周期也动辄数小时到数天不等。因此，如何快速制备单原子材料成为当今研究热点。

发明内容

为了克服现有单原子制备技术中存在的问题，本发明提供一种利用火焰还原制备碳纳米管(CNT)负载金属单原子的方法。

本发明所述的利用火焰还原制备碳纳米管负载金属单原子的方法为：首先对载体进行预处理；晾干后将载体置于火焰上过火还原制备碳纳米管阵列；然后将载体浸泡在金属前驱体溶液中，取出晾干后再置于火焰上过火还原制备碳纳米管负载金属单原子。

上述制得的碳纳米管负载金属单原子重复进行浸泡金属前驱体溶液和火焰上过火还原操作，提高金属单原子负载量。

所述的载体为泡沫镍、镍箔或镍网。

所述对载体进行预处理的方法为：将载体依次浸入到盐酸、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洁处理。

所述火焰为酒精灯内焰。

所述过火时间为1-30分钟。

所述金属前驱体溶液的溶剂为水、甲醇或乙醇，浓度为0.1mg mL

所述金属为钴、铁、镍、铜、锰、锌、银、铂、钯、金中的一种或几种。

所述金属前驱体为含钴、铁、镍、铜、锰、锌、银、铂、钯、金的化合物中的一种或几种。

所述金属前驱体为钴盐、铁盐、亚铁盐、镍盐、铜盐、锰盐、锌盐、银盐、铂盐、钯盐、金盐中的一种或几种。

酒精灯火焰的内焰由于温度较低，含有很多未燃烧彻底的含碳有机小分子，从而具有一定的还原性质。镍是一类可以催化碳纳米管生长的金属。所以在第一次酒精灯内焰过火过程中，含碳有机小分子挥发附着到载体上，就会在镍的催化下，在载体上原位生成碳纳米管；随后，浸渍到金属前驱体溶液中吸附金属离子，晾干后进行第二次过火；由于酒精灯内焰的还原性，将吸附的金属离子还原成金属单原子，得到碳纳米管负载金属单原子材料。

本发明针对目前单原子催化剂制备过程繁琐及稳定性差的问题，提供一种简便的制备碳纳米管负载金属单原子的方法。此制备过程避免了传统单原子制备中涉及的高温、高压、长时间、高成本等因素。整个制备过程在室温常压下进行，制备周期可控制在1小时以内，快速简便，且制备方法具有普适性。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的CNT阵列不同放大倍数下的扫描电镜图，内插图为数码照片；

图2是本发明实施例1制得的CNT负载钴单原子的扫描电镜图和球差校正扫描透射电镜图；

图3是本发明实施例1制得的CNT负载钴单原子的X射线光电子能谱；

图4是本发明实施例2制得的CNT负载铂单原子的扫描电镜图和元素分布图。

具体实施方式

下面结合说明书附图及实施例对本发明火焰还原法制备CNT负载金属单原子进行详细说明。

实施例1

CNT负载钴单原子

以泡沫镍(5cm*5cm)为载体，将泡沫镍依次置于2M盐酸、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洁处理30分钟，后取出自然晾干。将处理后的泡沫镍平行置于酒精灯内焰来回过火处理10分钟，直到表面变黑，得到CNT阵列。配制3mg mL

对CNT进行形貌表征，图1为扫描电镜图。从图中可以看出，所制备的CNT呈阵列结构并均匀致密地负载在泡沫镍表面。

对CNT负载钴单原子进行形貌表征，图2为(a和b)扫描电镜图和(c和d)球差校正扫描透射电镜图。从(a和b)图中可以看出，CNT负载钴单原子仍然保持良好的纳米线阵列结构，表面并没有颗粒存在。从(c和d)图可以看出，CNT上分散了许多致密的白色亮点，即为钴单原子。

对CNT负载钴单原子进行结构表征，图3为X射线光电子能谱。对于CNT吸附的硝酸钴，火焰还原之后的O的1s出现M-O键，说明钴成功与CNT中的O结合。Co的2p1/2和2p3/2的结合能降低，说明吸附在CNT上的高价态的钴离子被还原成低价态的钴。

实施例2

CNT负载铂单原子

以泡沫镍(5cm*5cm)为载体，将泡沫镍依次置于2M盐酸、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洁处理30分钟，后取出自然晾干。将处理后的泡沫镍平行置于酒精灯内焰来回过火处理10分钟，直到表面变黑，得到CNT阵列。配制1mg mL

对CNT负载铂单原子进行形貌表征，图4为CNT负载铂单原子的扫描电镜图和元素分布图。从图中可以看出，CNT负载铂单原子保持良好的纳米线阵列结构，表面并没有颗粒存在。通过元素分布谱图可以看出，C，O和Pt均匀分散在材料表面。

实施例3

CNT负载镍单原子

以泡沫镍(5cm*5cm)为载体，将泡沫镍依次置于2M盐酸、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洁处理30分钟，后取出自然晾干。将处理后的泡沫镍平行置于酒精灯内焰来回过火处理10分钟，直到表面变黑，得到CNT阵列。配制5mg mL

实施例4

CNT负载铁单原子

以泡沫镍(5cm*5cm)为载体，将泡沫镍依次置于2M盐酸、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洁处理30分钟，后取出自然晾干。将处理后的泡沫镍平行置于酒精灯内焰来回过火处理10分钟，直到表面变黑，得到CNT阵列。配制20mg mL