[发明专利]一种多孔碳负载单原子金属氮配位复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多孔碳负载单原子金属氮配位复合材料及其制备方法。所述复合材料中，金属以原子级分散的金属氮配位形式固定在多孔碳载体上。所述制备方法，包括如下步骤：(1)利用多孔碳吸附金属盐和配合物得到前驱物；(2)将所述前驱物与氮源物理研磨后，在惰性气氛中进行热处理。本发明制备方法成本低、工艺简单、产物明确、金属以原子级分散、载量高、稳定性好，适于规模化生产。此外，本发明多孔碳负载单原子金属氮配位复合材料在氧还原、二氧化碳还原、氮气还原反应中催化性能优异，明显优于已报道的其它同类型催化剂。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，尤其涉及一种多孔碳负载单原子金属氮配位复合材料及其制备方法。

背景技术

由于单原子材料同时具有均相催化和异相催化的优势，也弥补了两者之间的差异，近几年备受关注。与异相材料相比，单原子材料使原子利用率达到最大化，具有可调电子结构的均匀活性位点有利于催化活性和选择性的提高，同时具有不同于均相催化剂的优异的稳定性和循环性。在过去的几年间，大量单原子催化剂用于热催化反应(如一氧化碳氧化，水气转化反应和甲醇转换等)，光催化反应(如光催化析氢和二氧化碳还原)，电催化反应(如析氢反应，析氧反应，二氧化碳还原和氮气还原等)，以及有机催化。然而，可控制备单原子催化剂仍然存在挑战：1,由于单原子表面能高，热力学不稳定，因此在制备过程中或后续应用过程中，活泼的单原子倾向于移动和团聚形成团簇或纳米颗粒。2，单原子催化剂通常具有高活性和高选择性，但其催化稳定性仍有待提高。

在单原子材料中，锚定在碳基底的单原子金属氮类备受关注，特别是在电催化领域。由于氮原子不仅可以有效地将金属单原子锚定在碳基底上，而且可以改变金属原子或碳原子的电子结构以优化对中间物种的吸脱附，从而提高催化活性。此外，碳材料作为基底，价廉易得，有利于商业化应用，并且碳材料在反应中加快电子转移从而使制得的复合材料具有高导电性。此类单原子金属氮类催化剂在苯氧化为苯酚、芳硝基化合物选择性加氢生成偶氮化合物、析氧反应和二氧化碳还原反应等具有重要应用。

目前常用于制备单原子材料的方法有浸渍还原、化学气相沉积、电化学沉积和溅射等。但这些方法普遍存在负载量低且制备出的单原子材料稳定性不佳等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种多孔碳负载高载量单原子金属氮配位复合材料及其制备方法，该方法利用廉价且空隙发达的多孔碳空间限域效应来制备高载量单原子金属氮类材料，制备得到的复合材料中，单原子金属在多孔碳上分散度好、载量高、稳定性好，制备工艺简单、绿色环保，具有可工业化前景。

本发明首先提供一种多孔碳负载单原子金属氮配位复合材料，所述复合材料中，金属以原子级分散的金属氮配位形式固定在多孔碳载体上。

优选，金属在复合材料上的负载量为3-15wt％。对于不同的金属，负载量有所不同，其特征在于，锰的负载量为3-10wt％，优选为7-10wt％；铁的负载量为5-10wt％，优选为8.5-10wt％；钴的负载量为8-15wt％，优选为12-15wt％；镍的负载量为3-10wt％，优选为5.5-10wt％；铜的负载量为8-15wt％，优选为10-15wt％；钼的负载量为6-10wt％，优选为7.5-10wt％；铂的负载量为3-10wt％，优选为4.5-10wt％。

本发明还提供一种多孔碳负载单原子金属氮配位复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用多孔碳吸附过渡金属盐类化合物和配合物，得到前驱物；

(2)将上述前驱物与氮源混合经过热处理，降至室温，即可得到所述多孔碳负载单原子金属氮配位复合材料。