[发明专利]一种三嗪基共价网络负载金属单原子的复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种三嗪基共价网络负载金属单原子的复合材料及其制备方法和应用。所述复合材料包括三嗪基共价网络和负载于三嗪基共价网络上的过渡金属单原子，所述三嗪基共价网络由式(Ⅰ)所示的结构单元构成，所述结构单元由吡啶单元和三嗪基环交联而成。该复合材料具有多层多级孔状结构、赋予材料极高的比表面积和丰富的催化活性位点，在电催化氧还原反应中具有优异的催化活性、出色的稳定性和抗甲醇性。且克服了现有技术中单原子催化剂容易团聚使催化不稳定的特点，使单原子可以均匀地负载于三嗪基共价网络结构中，不仅有益于单原子的利用率，还抑制了电催化反应中副反应的发生，有利于提高电催化反应的选择性。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种复合材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种三嗪基共价网络负载金属单原子的复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球化石能源的不断消耗和环境污染恶化的加剧，电化学储能和转换装置成为世界各国科学家的研究热点。燃料电池作为一种新型的将物质的化学能转化为电能的能量转换装置，近年来得到了广泛的关注和快速的发展。然而，燃料电池阴极的氧气还原反应动力学过程缓慢，必须借助催化剂加快反应进程。传统的电催化剂如铂基贵金属催化剂，存在多种不足，例如资源稀缺、成本高且稳定性和耐甲醇能力较差等。这些缺点严重阻碍了燃料电池的商业化应用。因此，设计开发廉价高效且稳定的非贵金属氧还原电催化剂具有重要意义。

CN108355651A公开了一种钌纳米金属电催化剂及制备方法，包括以下步骤：制备钌酞菁类金属有机化合物；将所述钌酞菁类金属有机化合物与二维碳材料分散混合，得到电催化剂前驱体；将所述电催化剂前驱体在惰性气氛下高温热解，得到钌纳米金属粒子电催化剂。该电催化剂的制备方法简单，原料来源广泛，特别是钌的价格仅为铂的5％左右，可以大幅度降低催化剂的成本；该电催化剂在酸碱性溶液中HER活性高，稳定性好，尤其是在碱性环境下优于商业化的Pt/C催化剂，具有很好的应用前景。

CN104084216B公开了一种银铜纳米合金电催化剂及其激光气相沉积方法。所述的银铜纳米合金电催化剂是以钛片为衬底，以银铜合金为靶材，通过激光气相沉积的方法沉积在钛片上得到的。其组织形貌为纳米晶和非晶，并且该纳米晶嵌在非晶之中；或者组织形貌由纳米晶和多晶组成。所述纳米晶为银铜面心立方结构固溶体，非晶为金属铜，多晶为多晶铜。该发明具有更优的氧还原反应催化效果，并且制备成本低。

2011年，大连化物所张涛院士课题组成功制备出了单原子Pt/FeOx催化剂。张涛院士等人首次提出了单原子催化的概念。当粒子分散度达到单原子尺寸时，其会展现出很多新的特性，如急剧增大的表面自由能、量子尺寸效应、不饱和配位环境和金属载体的相互作用等。正是这些与纳米或亚纳米级粒子显著不同的特性，赋予了单原子催化剂优越的催化性能。单原子催化剂不仅金属使用量极低而且具有极高的金属原子利用效率。此外，单原子上催化剂上活性组分对不同分子的吸附/脱附具有不同的选择性，从而具有出色的催化选择性。因其最大化的原子利用率和出色的选择性，单原子催化剂在电催化中表现出优异的性能。然而，由于孤立的金属具有极高的表面能、可迁移性且容易团聚等特点，单原子催化剂在催化反应过程中保持稳定是一个重大的挑战。因此，开发新型高性能的单原子催化剂对电催化领域意义重大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合材料及其制备方法和应用，尤其提供一种三嗪基共价网络负载金属单原子的复合材料及其制备方法和应用。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种三嗪基共价网络负载金属单原子的复合材料，所述复合材料包括三嗪基共价网络和负载于三嗪基共价网络上的过渡金属单原子，所述三嗪基共价网络由式(Ⅰ)所示的结构单元通过式(Ⅱ)所示的结构连接构成，所述结构单元由吡啶单元和三嗪基环交联而成；

其中，虚线表示连接位点。