[发明专利]一种低温液相合成高性能金属材料的方法

说明书

本发明涉及一种低温液相合成高性能金属材料的方法，属于材料科学与工程技术和化学领域。本发明制备的金属材料包括：在低温液相环境中化学合成的Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、W、Re、Os、Ir、Pt和Au等一种或多种金属元素组成的单原子、双原子、多原子、原子团簇或超细纳米颗粒等材料。

技术领域

本发明涉及低温液相合成金属单原子、双原子、多原子、原子团簇或超细纳米颗粒等高性能材料的方法，属于材料科学与工程技术和化学领域。

背景技术

金属作为重要的无机物质，超过元素周期表元素种类的三分之二，拥有丰富且令人着迷的物理化学特性。许多金属材料已被广泛用于催化、电子、光学成像、信息存储、传感、医药等领域。研究表面，金属材料的性能与其尺寸、形状、充分与结构等一系列物理参数息息相关，精确控制相关参数在制备高性能金属材料过程中至关重要。特别地，金属原子作为非常多种类催化反应过程的活性位点，如何提高其有效利用率，从而提高活性并且降低大规模应用的成本，一直是材料科学与催化领域的核心问题。与传统的纳米级金属催化剂相比，原子级分散的金属催化剂不仅可以显著提高金属原子作为催化反应活性位点的有效利用率从而实现更高的比质量活性，还往往具备更好的催化选择性、稳定性以及抗中毒能力。因此，大规模制备原子级分散或超细纳米结构的高性能金属材料，获得超高的催化活性、接近于100％的催化效率以及绿色的循环途径，从而实现低成本、高效的绿色催化剂并投入大规模使用，具有重要的科学意义和经济价值。

考虑到原子级分散金属较高的表面自由能和活性，现阶段以浸渍煅烧途径为代表的制备方法，其有效金属负载量一般非常有限(<1.0wt％)，如何大规模制备高金属负载量的原子级分散金属催化剂仍是相关领域亟待解决的难题。溶液合成作为大规模制备金属纳米晶体的传统方法，有效地抑制形核从而得到原子级分散金属非常困难。传统的方法都是通过无限降低溶液浓度的办法来控制形核，不仅可靠性较低，产量也无法大幅度提升。考虑到温度作为影响化学反应动力学和热力学的重要参数，降低温度可以显著提升形核势垒从而有效抑制成核，从而提高溶液中单分散的金属原子的浓度，并进一步有效吸附在不同的载体表面，得到再不同基底表面单分散的金属原子复合材料。因此，本发明提出并实现了低温抑制液相合成形核与生长的能量势垒，从而大规模制备一种或多种金属元素组成的单原子、双原子、多原子、原子团簇或超细金属纳米颗粒等结构高性能功能材料的方法与工艺。

发明内容

本发明的技术方案如下，一种低温液相合成高性能金属材料的方法，包括以下步骤：

(1)选取合适的溶剂配置摩尔浓度为0.001-1.0mol/L的金属前躯体溶液A，所述前驱体为可溶解的金属化合物，所述的金属包括Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、W、Re、Os、Ir、Pt和Au等元素中的任何一种或多种，所述的金属材料包括一种或多种金属元素组成的单原子、双原子、多原子、原子团簇或超细金属纳米颗粒等结构；所述的溶剂包括水、乙醇、乙二醇、丙酮、氯仿、乙醚、四氟氢喃、二甲基甲酰胺或甲醛中的任何一种或多种按比例混和；

(2)选择液相合成氧化还原反应体系，包括：化学还原、光还原以及超声还原。其中，还原剂包括NaBH₄,KBH₄,N₂H₄,N₂H₅OH,甲醛，甲酸，抗坏血酸，Na₂SO₃,K₂SO₃,H₂C₂O₄，紫外光、可见光、全光及超声波中的任何一种或多种；所述氧化还原反应溶剂包括水、乙醇、乙二醇、丙酮、氯仿、乙醚、四氟氢喃、二甲基甲酰胺或甲醛中的任何一种或多种按比例混和；