[发明专利]负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜及其应用

权利要求书

1.负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜，其特征在于，采用MOF基原位衍生单原子催化剂的原理，以聚酰亚胺前驱体制备功能性炭膜；

所述的负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜的制备方法：将制备好的MOF前体、导电纳米材料混合并分散到有机溶剂当中，然后将上述溶液加入聚酰胺酸溶液，并在玻璃板上刮涂成MOF聚酰胺酸杂化膜；最后，利用程序升温法在惰性气体氛围下进行碳化，碳化过程中MOF中的金属离子原位热解还原为单原子催化剂，聚酰胺酸则先转变为聚酰亚胺然后再进一步形成炭膜；

制备方法包括以下步骤：

1）ZnM-BMOFs的制备：将目标金属M盐甲醇溶液和Zn²⁺盐甲醇溶液与2-甲基咪唑有机配体甲醇溶液进行混合，调控pH，超声混合溶解并搅拌，烘干4h后，沉淀物采用甲醇溶液洗涤，然后于70-80℃下干燥；

2）ZnM-BMOFs/碳纳米管/聚酰胺酸杂化膜的制备：将步骤1）制得的ZnM-BMOFs粉末和碳纳米管粉末超声分散到N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，制得溶液A备用；取4,4’-二氨基二苯醚溶于N,N-二甲基乙酰胺溶剂中，并搅拌至4,4’-二氨基二苯醚完全溶解，然后再向该溶液中多次加入均苯四甲酸二酐，使均苯四甲酸二酐完全溶解，制得预聚体聚酰胺酸溶液B；将溶液A和溶液B均匀混合，强力搅拌12-14h并超声处理1-2h；将上述溶液倾注在带有加热器的水平玻璃板上，并刮涂成膜，之后于35-40℃下干燥；

3）目标金属M单原子催化剂/碳纳米管/聚酰亚胺基催化炭膜的制备：将步骤2）制备得到的ZnM-BMOFs/碳纳米管/聚酰胺酸杂化膜放入到真空管式炉中，在惰性气体的氛围下进行碳化，气流速控制在60-100mL/min，采用程序升温方式，升温程序如下：升温速度为2-5℃/min，升温至100±5℃、200±5℃和350±5℃分别停留1-1.5h，此时形成ZnM-BMOFs/碳纳米管/聚酰亚胺膜；继续加热直至800-900℃，停留2-3h，此时MOF原位生成M金属单原子催化剂，聚酰亚胺膜则进一步碳化成聚酰亚胺基炭膜，最终自然冷却，即得目标金属M单原子催化剂/碳纳米管/聚酰亚胺基催化炭膜；

所述的目标金属M为Fe、Co、Ni、Cu的一种或者两种。

2.根据权利要求1所述的负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜，其特征在于，所述催化阴极炭膜的孔径为1.5-30nm，孔隙率为30%-80%，电导率为10-300S/cm；所述催化阴极炭膜的拉伸强度为5-100MPa，最大可承受压力为3-5MPa。

3.根据权利要求1所述的负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜，其特征在于，上述步骤1）中的目标金属M盐和Zn²⁺盐为硝酸盐、氯化盐、醋酸盐中的一种或两种以上。

4.根据权利要求1所述的负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜，其特征在于，上述步骤1）中的目标金属M盐甲醇溶液的摩尔浓度为0.01-0.15mol/L，Zn²⁺盐甲醇溶液的摩尔浓度为0.02-0.3mol/L，2-甲基咪唑有机配体甲醇溶液摩尔浓度为0.1-3mol/L，Zn²⁺与目标金属M盐的混合摩尔比为1:1-2:1。

5.根据权利要求1所述的负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜，其特征在于，上述步骤2）中溶液A的质量分数为10 wt%-25 wt%，ZnM-BMOFs与碳纳米管的质量比为1:1-2:1，预聚体聚酰胺酸溶液B的质量分数为12wt%-30wt%，预聚体聚酰胺酸溶液B中4,4’-二氨基二苯醚与均苯四甲酸二酐的摩尔比为1:1-1:1.5。

6.根据权利要求1所述的负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜，其特征在于，上述步骤3）中的惰性气体为氮气或氩气。

7.如权利要求1所述的负载单原子催化剂的聚酰亚胺基催化阴极炭膜的应用，其特征在于，用于EMBR系统、微生物燃料电池系统、电催化系统中，对高浓度难降解有机废水进行净化处理。