[发明专利]一种石墨烯单原子金复合材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种石墨烯单原子金复合材料，其特征在于：将石墨烯与氮化碳通过水热处理得到三维石墨烯/氮化碳复合物；然后将原子态的贵金属金与碳材料结合形成石墨烯单原子金复合材料，即三维石墨烯/氮化碳负载单分散金原子复合催化剂；氮化碳界面组装石墨烯构成多孔三维石墨烯/氮化碳网络结构，比表面积为100 m²/g-400 m²/g，孔径分布为0.1-2nm、2-50 nm和50-100 nm的多级孔，金的形态包括单分散金原子、金团簇和纳米金颗粒；组成为：单分散金原子含量为0.001 wt%~1.0 wt%，石墨烯/氮化碳的含量为64 wt%~98.399wt%，金纳米簇的含量为0.5 wt%~20.0 wt%，纳米金颗粒的含量为0.1 wt%~5.0 wt%，杂原子含量为1 wt %~10 wt%；

所述的石墨烯单原子金复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将双氰胺溶液采用冷冻干燥、高温热处理和超声离心获得薄层氮化碳；

所述薄层氮化碳的制备方法为：将浓度为20 mg/mL~100 mg/mL的双氰胺水溶液保持在液氮环境下冷冻干燥，得到的样品在氩气或氮气气氛下采用2 °C/min~4 °C/min的升温速率加热至400 °C ~600 °C热处理1~3 h，之后降至室温获得大片的氮化碳； 取大片的氮化碳溶解在异丙醇溶液中，氮化碳与异丙醇溶液的用量比为：每100 mg~400 mg氮化碳溶解在100 mL溶液中，超声处理2~6小时，随后，静置收集上层清液，采用旋转蒸发装置获得终浓度为1 mg/mL~4 mg/mL的薄层氮化碳纳米片溶液；

（2）将步骤（1）所得薄层氮化碳与石墨烯混合，并采用溶剂热、洗涤、冷冻干燥处理获得三维石墨烯/氮化碳凝胶复合物；

所述石墨烯的制备方法为：通过电化学剥离法合成石墨烯，将石墨烯浸泡至H₂SO₄和HNO₃体积比为1:3的混合溶液中，超声处理10~20小时；接着，将溶液倒入抽滤瓶中，采用0.22 µm的微孔滤膜加水抽滤洗涤去除过量的酸；最后，收集滤饼并用蒸馏水重分散得到终浓度为1 mg/mL~4 mg/mL的石墨烯；

（3）将步骤（2）所得三维石墨烯/氮化碳的凝胶修饰于电极表面，采用三电极体系，在氯金酸的电解液中通过阳极电化学沉积的方法获得三维石墨烯单原子金复合材料。

2.根据权利要求1所述的石墨烯单原子金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，取10 mL浓度为1 mg/mL~4 mg/mL石墨烯和10 mL浓度为1 mg/mL~4 mg/mL的薄层氮化碳纳米片溶液在超声波下混合均匀，之后，将混合溶液转移至50 mL聚四氟乙烯内胆的高压反应釜中，采用溶剂热反应6~12小时获得三维圆柱状凝胶，反应温度控制在150 °C~200 °C；使用蒸馏水反复洗涤之后过夜冻干即可获得三维石墨烯/氮化碳凝胶复合物。

3.根据权利要求2所述的石墨烯单原子金复合材料的制备方法，其特征在于：所述的石墨烯/氮化碳凝胶复合物为三维立体多孔结构，以介孔为主要存在方式，且该凝胶复合物质量密度为5 mg/cm³~15 mg/cm³。

4.根据权利要求1所述的石墨烯单原子金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，通过阳极电化学方法合成单分散金原子负载于三维石墨烯/氮化碳复合物上，所用的电化学方法采用三电极体系，即：三维石墨烯/氮化碳修饰的玻碳电极作为工作电极，银/氯化银/饱和氯化钾电极作为参比电极和铂丝作为对电极组装三电极体系。