[发明专利]一种有单分散金属原子掺杂的sp2杂化碳材料的制备方法

说明书

一种有单分散金属原子掺杂的sp²杂化碳材料的制备方法，它涉及一种sp²杂化碳材料的制备方法。本发明的目的是要解决金属掺杂碳材料制备成本高、金属引入位点不可控的问题。制备方法：一、混合得氮源/碳源液体混合物；二、冻干得到氮源/碳源固体混合物；三、烧结，得到有单分散金属原子掺杂的sp²杂化碳材料。本发明主要用于制备有单分散金属原子掺杂的sp²杂化碳材料。

技术领域

本发明涉及一种sp²杂化碳材料的制备方法。

背景技术

碳材料可以作为导电材料、吸附材料、催化材料、储能材料等，在包括能源、材料、催化等诸多领域收到了广泛关注。尤其是以碳纳米管、石墨烯为代表的sp²杂化碳材料，由于具有共轭大π键，导致其微观上十分独特的电子结构，使其具有特殊的电学、力学、化学性质，具有广泛的应用价值。

对sp²杂化碳材料进行的改性，多为异原子掺杂。将与碳电负性不同的非金属原子掺杂进入sp²杂化的碳骨架中，可以打破其原有的电中性，使其理化性质得到改善。而与C电负性相似的非金属元素，如S等，则是通过不同的p轨道参与形成共轭大π键，通过改变局部的电子结构而影响碳材料的性能。金属元素由于拥有更为丰富的氧化态，在催化和电化学储能领域中被广为利用，而单分散金属原子，由于具有不饱和的配位结构，则具有更高的化学反应活性。但是，单分散金属原子的热力学不稳定性使其很容易自发团聚形成金属颗粒，造成活性的降低。因此，将单分散金属原子固定在sp²杂化碳材料上，既能通过配位键提高位点的稳定性，又能借助sp²杂化碳材料的特殊性质，实现复合材料性能的提升。

目前，将单分散金属原子掺杂进入碳材料中的方法，主要是将预先混合好的金属源、碳源和氮源进行高温处理。但是由于烧结过程中，金属原子自发进行团聚的趋势较强，为得到复合在碳材料中单分散的金属原子位点，往往需要采用如金属有机骨架(Angewandte Chemie International Edition 55.36(2016):10800-10805；Journal ofMaterials Chemistry A 4.12(2016): 4457-4463.)、金属大环化合物(Journal of theAmerican Chemical Society 138.45(2016):15046-15056.； ACS Catalysis 6.8(2016):5095-5102.)等具有金属-N配位键的前驱体，并通过特殊的制备工艺稳定单原子金属位点(Nano Letters 17.3(2017):2003-2009.；Nanoscale 7.17(2015):7644-7650.)，然而这类物质价格昂贵，特殊的制备工艺增加了额外的成本，不利于大规模生产；且这类材料热解得到的碳为无定形碳(ACS Catalysis 7.3(2017):1655-1663)，导电性和化学稳定性较sp²杂化的碳材料差。即使采用sp²杂化的碳材料作为前驱体，由于金属源与氮源、碳源的混合不可控，往往不能避免金属掺杂进入氮源碳化残留的无定形碳中(Advanced FunctionalMaterials 26.5(2016):738-744.)，而无法将单原子金属完全掺杂进入sp²杂化碳材料，使得sp²杂化碳材料独特的性质不能得到充分利用。

发明内容

本发明的目的是要解决金属掺杂碳材料制备成本高、金属位点引入位置不可控的问题，而提供一种有单分散金属原子掺杂的sp²杂化碳材料的制备方法。