一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法、碳基单原子材料及其应用

本发明属于材料，具体涉及一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法、碳基单原子材料及其应用。

背景技术：

1、碳基单原子材料：主要基体成分为碳，利用其它易配位的的元素(如n等)，将单个的金属原子锚定在碳基底上，所合成的材料，氮原子和金属单原子形成mnx位点结构，其中，x为3或4。

2、目前，碳基单原子材料被广泛应用于电催化、光催化、热催化、有机合成等领域；但是绝大多数文献报道的碳基单原子材料都主要以石墨烯或者有机金属框架(mof)为基底材料，这些基底材料的成本极高，对碳基单原子材料的大规模、批量化生产和应用造成了极大的挑战。此外，裂解碳是一种廉价的碳源，但是其为块体碳，具有比表面积小、有效单原子位点少的缺陷，因此也很难用于碳基底单原子材料，现有技术中go基底的单原子材料及采用裂解块体碳制备的碳基底单原子材料的形貌如图1所示。基于以上背景，碳基单原子材料正朝着低成本、高效率的合成方向前进。

3、而壳状、片状碳基底单原子材料在现有技术中并不存在简便，成本低的制备方法，因此，亟需提供一种流程简便，成本低的制备碳基单原子材料的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法、碳基单原子材料及其应用，其流程简便，成本低，可以实现对壳状、片状碳基底单原子材料的大规模制备。

2、本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

3、本发明提供了一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法，包括以下步骤：

4、(1)将模板剂、含氮化合物、有机碳化合物、水溶性金属盐混合在一起，得到前驱体；

5、(2)将前驱体置于反应炉中，在保护气氛下进行热处理，得到热处理产物；

6、(3)将热处理产物分散到水中，抽滤并干燥，得到碳基单原子材料。

7、进一步的，在步骤(1)中，所述模板剂为析出盐或市售的商用氯化钠；所述析出盐的制备方法为将纯度>98％的氯化钠和水配置为饱和溶液，确保所述纯度>98％的氯化钠已完全溶解，后加入乙醇，搅拌至模板盐充分析出，抽滤，用乙醇洗涤，通过鼓风烘干干燥，得到析出盐；所述乙醇的纯度>90％；所述乙醇与饱和溶液的质量比为0.5-5：1。

8、进一步的，在步骤(1)中，所述含氮化合物包括二氰二胺、三聚氰胺和氨气中的一种或几种；所述有机碳化合物包括葡萄糖、三聚氰胺、纤维素和柠檬酸中的一种或几种；所述水溶性金属盐为包括ni、fe、co、mn、pt、cu、ag、cu任一种金属原子在内的水溶性金属盐。

9、进一步的，在步骤(1)中，所述模板剂、含氮化合物、有机碳化合物、水溶性金属盐的质量比为8000～9000：1000～1500：600～700：2.7～60。

10、进一步的，在步骤(1)中，所述混合为球磨或研磨充分。

11、进一步的，在步骤(2)中，所述热处理为以4-5℃/min的升温速率由室温升温至750-760℃后，处理2-4h。

12、进一步的，在步骤(2)中，所述反应炉为高温管式炉或箱式炉。

13、进一步的，在步骤(2)中，所述保护气氛包括氮气或者氩气中的任一种。

14、本发明还提供一种利用所述的基于熔融法制备碳基单原子材料的方法所制备得到的碳基单原子材料，当所述模板剂为析出盐时，所述碳基单原子材料碳基底以不连续的、完整壳状形式存在；当所述模板剂为市售的商用氯化钠时所述碳基单原子材料碳基底以不连续的、片状形式存在。

15、本发明还提供一种利用所述的碳基单原子材料在电催化、光催化、热催化及有机合成领域的应用。

16、本发明有益效果在于：

17、本发明可以降低成本，该方法使用的原料廉价易得，合成流程简单，操作方便，可以等比例放大原料，因此可以实现大批量、大规模制备，且本发明所制备的碳基单原子材料的碳基底表面积大，形貌好，能够满足实际应用。

技术特征：

1.一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述模板剂为析出盐或市售的商用氯化钠；所述析出盐的制备方法为将纯度>98％的氯化钠和水配置为饱和溶液，确保所述纯度>98％的氯化钠，后加入乙醇，搅拌至模板盐充分析出，抽滤，用乙醇洗涤，通过鼓风烘干干燥，得到析出盐；所述乙醇的纯度>90％；所述乙醇与饱和溶液的质量比为0.5-5：1。

3.根据权利要求1所述的一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述含氮化合物包括二氰二胺、三聚氰胺和氨气中的一种或几种；所述有机碳化合物包括葡萄糖、三聚氰胺、纤维素和柠檬酸中的一种或几种；所述水溶性金属盐为包括ni、fe、co、mn、pt、cu、ag、cu任一种金属原子在内的水溶性金属盐。

4.根据权利要求1所述的一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述模板剂、含氮化合物、有机碳化合物、水溶性金属盐的质量比为8000～9000：1000～1500：600～700：2.7～60。

5.根据权利要求1所述的一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述混合为球磨或研磨充分。

6.根据权利要求1所述的一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述热处理为以4-5℃/min的升温速率由室温升温至750-760℃后，处理2-4h。

7.根据权利要求1所述的一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述反应炉为高温管式炉或箱式炉。

8.根据权利要求1所述的一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述保护气氛包括氮气或者氩气中的任一种。

9.一种利用如权利要求1-8任一项所述的基于熔融法制备碳基单原子材料的方法所制备得到的碳基单原子材料，其特征在于，当所述模板剂为析出盐时，所述碳基单原子材料碳基底以不连续的、完整壳状形式存在；当所述模板剂为市售的商用氯化钠时所述碳基单原子材料碳基底以不连续的、片状形式存在。

10.一种利用如权利要求9所述的碳基单原子材料在电催化、光催化、热催化及有机合成领域的应用。

技术总结
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种基于熔融法制备碳基单原子材料的方法、碳基单原子材料及其应用，所述方法包括以下步骤：将模板盐和水配置为饱和溶液，确保模板盐已完全溶解，后加入乙醇，搅拌至模板盐充分析出，抽滤，用乙醇洗涤，通过鼓风烘干干燥，得到模板剂；将模板剂、含氮化合物、有机碳化合物、水溶性金属盐混合在一起，得到前驱体；将前驱体置于反应炉中，在保护气氛下进行热处理，得到热处理产物；将热处理产物分散到水中，抽滤并干燥，得到碳基单原子材料。本发明可以降低成本，所述合成过程中使用的原料廉价易得，合成流程简单，操作方便，可以等比例放大原料，因此可以实现大批量、大规模制备。

技术研发人员：宫勇吉,古小康
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/4