[发明专利]缺陷泡沫石墨烯负载过渡金属单原子催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了缺陷泡沫石墨烯负载过渡金属单原子催化剂的制备方法，并将其应用于氮还原合成氨，制备方法包括：用微波法在缺陷氧化石墨烯上负载过渡金属单原子，得到的产物用盐酸溶液处理后洗至中性分散于水溶液中。利用微波处理的样品表面带有含氧官能团，水热处理、冷冻干燥后得到产物。用热处理方法将上述产物高温还原及过渡金属原子重新排布，确保过渡金属单原子的形成，制备成缺陷泡沫石墨烯负载过渡金属单原子催化剂。本发明制备方法优点1在于利用缺陷增加活性位点，提高过渡金属单原子数量；优点2在于利用三维网络提高催化剂表面积，提高催化活性。该方法获得的催化剂具有高催化活性、耐久性及良好的稳定性。

技术领域

本发明涉及室温下电催化合成氨领域，具体涉及通过制备缺陷氧化石墨烯锚定过渡金属原子，并用水热反应将样品组装为三维泡沫网络结构，通过高温褪火进一步将缺陷泡沫石墨烯还原、提高过渡金属单原子的热稳定性。

背景技术

氨作为生产硝酸、化肥和炸药的重要原料，在人工固氮技术发明以前，NH₃的产率难以满足人口急速增长的需求。Haber-Bosch法的诞生使世界人口数量和工业化程度显著提升。然而这个过程涉及到高温和高压，需要消耗大量的化石燃料，且排放大量温室气体。因此，开发反应条件温和、绿色、高效、可持续的合成氨技术具有重要的意义。单原子催化最近收到广泛关注，众多研究已经表明，单原子催化剂活性位点多，催化性能好。过渡金属原子因其可以削弱氮氮键的优势，已被认为是氮还原催化反应最有前景的催化剂。利用缺陷泡沫石墨烯三维立体结构，大比表面积，多空隙特征，来锚定过渡金属原子，提高传质速率，提高催化剂合成氨产率和法拉第效率，对合成氨及其它电催化方向具有重要意义。

发明内容

本发明提供了以缺陷氧化石墨烯锚定过渡金属单原子，通过水热法合成缺陷泡沫石墨烯三维网络结构，为了进一步还原石墨烯及保证负载的为过渡金属单原子，又进行了高温褪火处理，最后用盐酸溶液除去产物表面粒子。制备的催化剂相对于过渡金属及泡沫石墨烯，活性都有大大的提高。本发明公开了一种氮还原合成氨缺陷泡沫石墨烯负载过渡金属单原子催化剂的制备方法，旨在利用缺陷结构锚定过渡金属单原子，增加活性位点数量，利用三维结构与缺陷结合提高传质速率，结果显示合成氨产率和法拉第效率较高。该催化剂是由缺陷石墨烯、过渡金属单原子构建的三维网络结构。本发明以缺陷氧化石墨烯为基础材料，通过氮源对基础材料进行改性，吸附过渡金属离子，微波辐射处理吸附了过渡金属离子的缺陷氧化石墨烯材料，发现样品由棕黄色向黑色转变，水热处理后组装成了三维网络结构，形成黑色泡沫结构，冷冻干燥后高温褪火，泡沫结构由柔韧变得酥脆，缺陷氧化石墨烯被高度还原，过渡金属单原子更加稳定，制成了高活性合成氨电催化剂。

本发明的上述目的是通过以下方案来实现的：

先制备缺陷氧化石墨烯，通过氮源对缺陷氧化石墨烯进行改性，再吸附过渡金属离子，利用微波辐射制备缺陷氧化石墨烯过渡金属单原子，水热反应组装三维网络结构，高温褪火进一步对缺陷石墨烯还原和过渡金属单原子重新排布。

所得到的缺陷泡沫石墨烯负载过渡金属单原子催化剂材料，缺陷石墨烯活性位点锚定过渡金属单原子，二维单原子材料构建三维单原子网络结构。

本发明的高活性缺陷泡沫石墨烯负载过渡金属单原子催化剂的制备发法，具体包括如下步骤：

（1）缺陷氧化石墨烯的制备：氧化石墨烯置入硝酸溶液中刻蚀数小时，用去离子水洗到中性后干燥得到缺陷氧化石墨烯；所述的硝酸溶液的质量浓度60%及以上；硝酸溶液刻蚀的时间为2～10h；