CN110694616A - 一种普适性制备负载型金属单原子/金属纳米颗粒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有普适性的快速制备载体负载金属单原子/金属纳米颗粒的方法，通过浸渍法在载体表面吸附金属盐溶液，通过冷冻干燥的方法得到均匀负载金属盐的粉末，再利用等离子体处理快速处理得到载体负载的金属纳米颗粒材料。该方法适用于不同的金属成分，不同的金属载体，可用于制备各种载体负载的金属单原子，单质金属颗粒，及多成分的合金纳米颗粒甚至五种金属元素以上的高熵合金。该方法合成的金属单原子，金属纳米颗粒分布均匀，负载量易调控，简单易行，成本低，无污染，具有广泛的应用潜力。整个制备过程未引入任何有机溶剂物质，不需要高温条件，反应时长短，反应效率高，成本低，能耗少，无废弃物产生，无污染，方法经济简单。

Description

一种普适性制备负载型金属单原子/金属纳米颗粒的方法

技术领域

本发明属于金属负载技术领域，尤其涉及一种普适性制备负载型金属单原子/金属纳米颗粒的方法。

背景技术

随着材料学科与纳米表征技术的发展，金属单原子材料在近年提出到应用都受到了广泛的关注。由于金属单原子独特的特性，相比金属纳米颗粒，金属单原子的高表面能、量子尺寸效应和较强的载体相互作用使其拥有独特的物理化学性质。自从张涛院士课题组成功制备Pt/FeOx铂基单原子以来，单原子催化剂已经被广泛的应用于热催化，电催化等多个领域，结果表明单原子材料显示出优异的催化性能。单原子催化剂的每个金属原子都能够作为催化位点，既具有均相催化剂单一的活性位点又具有多相催化剂易分离的特点，其极高原子利用率和单一活性位点为科学研究与实际应用提供了新的动力。

单原子材料由于其较高的表面自由能，金属原子容易团聚长大形成纳米颗粒或者纳米团簇，从而失去单原子效应而失活。因此在合成的过程中增强金属原子与载体之间的相互作用，防止金属单原子的团聚长大对于单原子催化剂的制备至关重要。目前制备单原子的方法主要浸渍法、共沉淀、高温煅烧等。以碳基载体为例，在制备单原子的过程中通常是以金属有机框架或者吸附金属盐的有机物为前驱体，经过高温碳化然后酸洗去掉金属颗粒得到单原子催化剂。但是受到工艺成本和单原子稳定性的影响，如何简单高效，低成本大批量制备单原子仍然具有很大挑战。

相比金属单原子，很多催化反应仍需要金属纳米颗粒来实现。金属纳米颗粒材料由于其独特的物理化学性质在众多领域都有着广泛的应用，例如常用的电催化剂，在多种电催化反应和新能源器件电极上都有应用。此外，在工业催化、汽车尾气处理等方面也有着广泛应用。金属纳米颗粒通常是负载在各种载体，例如碳材料、氧化物、分子筛载体上进行使用。一方面负载在载体上是提高纳米颗粒的利用性，譬如提高纳米颗粒的导电性，提高颗粒的分散性和阻止颗粒团聚长大；另一方面，特定的载体负载金属纳米颗粒由于功函数的不同能够优化金属纳米颗粒电子结构特性，从而进一步的提升金属纳米颗粒的性能。

传统载体负载型金属纳米颗粒常用方法主要是通过溶剂热的方法，利用各种表面活性剂或者有机溶剂在溶剂中进行高温反应，之后再通过大量的有机溶剂和水进行抽滤、离心的方法精细洗涤获取产物。此方法工艺繁琐，成本高昂并且材料产量低重复性差、表面残留的有机溶剂还会毒化金属纳米颗粒影响性能，并且有些金属颗粒无法通过溶剂热的方法获得。另一种方法是将载体与金属盐前驱体利用高温在固定特有的氛围下进行还原，但是由于高温会提高材料的熵值促进纳米颗粒的长大，也面临着成本高、难以控制的问题。负载型金属纳米颗粒在还原的过程中，需要使用还原剂或者还原性气体来对颗粒进行还原，剧烈的反应会导致金属颗粒团聚，影响金属颗粒的催化性能。此外，传统的各种方法通常需要时间长，产生大量废水废气，耗能高。同时，传统方法局限性较高，不具有普适性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种通过在水溶液中利用载体吸附金属盐前驱体，通过冷冻干燥得到粉体前驱体，然后再利用等离子体在真空的条件(气压低于300Pa)下直接合成各种载体负载的纳米金属颗粒材料。该方法经济简单，无废弃物产生，适用于多种金属单原子载体、多组分金属纳米颗粒的合成。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种普适性制备负载型金属单原子/金属纳米颗粒的方法，包括如下步骤：

(1)将所需载体分散在纯水中，利用超声波细胞粉碎得到分散均匀的载体溶液，并持续搅拌防止载体溶液中的载体聚沉；

(2)配制金属盐溶液，按照载量要求逐滴将所述金属盐溶液加入到所述步骤(1)得到的载体溶液中进行搅拌；

(3)将所述步骤(2)搅拌后得到的溶液倒入表面皿中冷冻结冰，然后进行冷冻干燥，得到均匀吸附金属盐的载体前驱体粉末；

(4)将所述步骤(3)得到的载体前驱体粉末在真空条件下进行等离子体处理，即得到负载型金属单原子/金属纳米颗粒。

在制备负载型金属单原子/金属纳米颗粒时未引入任何有机溶剂物质，降低了成本，而且避免了做催化反应时有机溶剂物质污染材料、降低其催化活性的问题。

在制备载体前驱体粉末时使用冷冻干燥技术，有助于金属盐和载体的分散，同时所得材料更适合用于等离子体处理，促进材料负载颗粒的尺寸更加均匀。

上述的方法，优选的，所述步骤(1)中，所述载体包括石墨烯、碳纳米管、科琴黑、氧化铝、分子筛、氧化钛、氧化铈、氧化钨、碳纸、碳布、碳纤维和泡沫镍中的任意一种或几种。

优选的，所述步骤(1)中，所述超声波细胞粉碎的时间为0.1h-0.5h。

优选的，所述步骤(2)中，所述金属盐溶液所含金属元素包括铂、钯、钌、铱、金、银、铑、铁、钴、镍、铜、锌、钼、钨、钛、锡、铈和镓中的任意一种或几种。更优选的，所述金属盐溶液包含任意五种以上的金属元素，最终制备得到的产物为高熵合金纳米颗粒。

优选的，所述步骤(2)中，所述金属盐溶液为可溶于水的金属盐溶液，更优选为硝酸盐、氯化盐、硫酸盐或有机金属盐，也可以是其他可溶于水的金属盐，以避免引入有机溶剂物质；所述金属盐溶液中所含金属离子的浓度为0.1-1mol/L，浓度过低加的水量太大影响干燥时间，浓度太大，加的量太少导致加入量控制不准。

优选的，所述步骤(2)中，当制备负载型金属单原子时，所述负载型金属单原子中所含金属单原子的质量载量为0.01％-5％；当制备负载型金属纳米颗粒时，所述负载型金属纳米颗粒中所含金属纳米颗粒的质量载量为5％-60％；搅拌时间为1-24h。其中，质量载量的计算方法为：金属质量/(金属质量+载体质量)。

优选的，所述步骤(3)中，冷冻时间为至少10min。

优选的，所述步骤(4)中，所述步骤(4)中，射频等离子体采用的射频电源频率为13.56MHz，射频等离子体处理的时间为5min-1h，射频等离子体处理的功率为100W-1000W。本发明采用的射频等离子体是利用高频射频电源(13.56MHz)在真空的情况下激发反应器内气体电离产生等离子体，在材料处理过程中，反应气体能够通过进气控制进入反应腔，同时真空条件下有利用反应过程中副产物的及时排除，防止副产物的生成污染样品，所得产品无需后续处理。

所述步骤(4)中，等离子体处理是在低于300Pa的气压环境中进行，其中所含气氛为氩气、氮气、氨气、氦气或六氟化硫气体。在气压低于300Pa的环境条件下使用等离子体技术，能够有效地促使还原副产物的排除，提高材料纯度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的方法，能够适用于不同的金属成分，不同的金属载体，可根据需求选择不同的改性气氛，可用于制备各种载体负载的金属单原子，单质金属颗粒，及多成分的合金纳米颗粒甚至五种以上的高熵合金，金属成分可调，气氛可调，功率可调，时间可调，普适性好；该方法合成的金属单原子、金属纳米颗粒分布均匀，分散性好，负载量易调控，整个制备过程未引入任何有机溶剂物质，不需要高温条件，反应时长短，反应效率高，成本低，能耗少，无废弃物产生，无污染，方法经济简单，具有广泛的应用潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1中得到的科琴黑负载钴金属单原子的透射电镜图片；

图2是实施例1中得到的科琴黑负载钴金属单原子的透射电镜能谱图；

图3是实施例1中得到的科琴黑负载钴金属单原子子的X射线衍射图；

图4是实施例2中得到的石墨烯负载铂金属纳米颗粒的透射电镜图片；

图5是实施例3中得到的分子筛负载铂金属纳米颗粒的透射电镜图片；

图6是实施例4中得到的碳纳米管负载多元合金(铂、铁、钴、镍、铜)纳米颗粒的透射电镜能谱图；

图7是实施例5中得到的科琴黑负载铂金属纳米颗粒的X射线衍射图；

图8是实施例6中得到的科琴黑负载多元合金(铂、铁、钴、镍、铜)纳米颗粒的X射线衍射图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种制备科琴黑负载钴金属单原子的方法，包括如下步骤：

(1)将80mg科琴黑分散在40mL超纯水中，利用超声波细胞粉碎半小时得到分散均匀的载体溶液，并以500r/min持续搅拌防止载体溶液中的载体聚沉；

(2)配制浓度为0.1mol/L的氯化钴溶液，按照质量载量为2％的要求逐滴将286μL的氯化钴溶液加入到所述步骤(1)得到的载体溶液中并剧烈搅拌，持续搅拌2h；

(3)将所述步骤(2)搅拌后得到的溶液导入表面皿中放入冰箱中低温冷冻结冰30min，然后放入冷冻干燥机器中进行冷冻干燥，得到均匀吸附金属盐的载体前驱体粉末；

(4)将所述步骤(3)得到的载体前驱体粉末放入等离子体反应器中，通入氨气5min之后关闭氨气，然后采用800W等离子体处理5min，即得到科琴黑负载钴金属单原子材料。

本实施例得到的科琴黑负载钴金属单原子的透射电镜图片如图1所示，透射电镜能谱图如图2所示，X射线衍射图如图3所示。根据图1-3可知，本实施例得到的材料中负载物为钴金属单原子，X射线图谱中并无钴基颗粒材料生成，证明反应生成物无颗粒。

根据需求，可以将科琴黑载体换成石墨烯、碳纳米管、氧化铝、分子筛、氧化钛、氧化铈、氧化钨、碳纸、碳布、碳纤维和泡沫镍中的任意一种或几种。金属元素可以换成铂、钯、钌、铱、金、银、铑、铁、镍、铜、锌中的任意一种硝酸盐、氯化盐、硫酸盐或有机金属盐等。

实施例2：

一种制备石墨烯黑负载铂金属纳米颗粒的方法，包括如下步骤：

(1)将80mg石墨烯分散在40mL超纯水中，利用超声波细胞粉碎半小时得到分散均匀的载体溶液，并以500r/min持续搅拌防止载体溶液中的载体聚沉；

(2)配制浓度为0.1mol/L的氯铂酸溶液，按照质量载量为40％的要求逐滴将2.7mL的氯铂酸溶液加入到所述步骤(1)得到的载体溶液中并剧烈搅拌，持续搅拌1h；

(3)将所述步骤(2)搅拌后得到的溶液导入表面皿中放入冰箱中低温冷冻结冰10min，然后放入冷冻干燥机器中进行冷冻干燥，得到均匀吸附金属盐的载体前驱体粉末；

(4)将所述步骤(3)得到的载体前驱体粉末放入自制的等离子体反应器中，通入氩气5min之后关闭氩气，然后采用800W等离子体处理5min，即得到石墨烯负载铂金属纳米颗粒材料。

本实施例得到的石墨烯负载铂金属纳米颗粒材料的透射电镜图片如图4所示。根据图4可知，铂纳米颗粒以2-3nm的直径尺寸均匀分布在石墨烯表面，验证了材料的合成。

实施例3：

一种制备分子筛负载铂金属纳米颗粒的方法，包括如下步骤：

(1)将80mg分子筛分散在40mL超纯水中，利用超声波细胞粉碎半小时得到分散均匀的载体溶液，并以500r/min持续搅拌防止载体溶液中的载体聚沉；

(2)配制浓度为0.1mol/L的氯铂酸溶液，按照质量载量为10％的要求逐滴将450μL的氯铂酸溶液加入到所述步骤(1)得到的载体溶液中并剧烈搅拌，持续搅拌1h；

(3)将所述步骤(2)搅拌后得到的溶液导入表面皿中放入冰箱中低温冷冻结冰30h，然后放入冷冻干燥机器中进行冷冻干燥，得到均匀吸附金属盐的载体前驱体粉末；

(4)将所述步骤(3)得到的载体前驱体粉末放入自制的等离子体反应器中，通入氩气5min之后关闭氩气，然后采用800W等离子体处理5min，即得到分子筛负载铂金属纳米颗粒材料。

本实施例得到的分子筛负载铂金属纳米颗粒材料的透射电镜图片如图5所示。根据图5可知，铂纳米颗粒成功负载在分子筛表面。

实施例4：

一种制备碳纳米管负载多元合金(铂、铁、钴、镍、铜)纳米颗粒的方法，包括如下步骤：

(1)将80mg碳纳米管分散在40mL超纯水中，利用超声波细胞粉碎0.1h得到分散均匀的载体溶液，并以500r/min持续搅拌防止载体溶液中的载体聚沉；

(2)分别配制浓度为0.1mol/L的铂、铁、钴、镍、铜的氯化盐溶液，按照质量载量为10％的要求逐滴将200μL的铂、200μL的铁、200μL的钴、200μL的镍、200μL铜的氯化盐混合溶液加入到所述步骤(1)得到的载体溶液中并剧烈搅拌，持续搅拌1h；

(3)将所述步骤(2)搅拌后得到的溶液导入表面皿中放入冰箱中低温冷冻结冰10min，然后放入冷冻干燥机器中进行冷冻干燥，得到均匀吸附金属盐的载体前驱体粉末；

(4)将所述步骤(3)得到的载体前驱体粉末放入自制的等离子体反应器中，通入氩气5min之后关闭氩气，然后采用800W等离子体处理5min，即得到碳纳米管负载多元合金(铂、铁、钴、镍、铜)纳米颗粒材料。

本实施例得到的碳纳米管负载多元合金(铂、铁、钴、镍、铜)纳米颗粒材料的透射电镜能谱图如图6所示。根据图6可知，各金属元素以金属颗粒的形式分布在碳管表面。

实施例5：

一种普适性制备科琴黑负载铂金属纳米颗粒的方法，包括如下步骤：

(1)将80mg科琴黑分散在40mL超纯水中，利用超声波细胞粉碎0.1h得到分散均匀的载体溶液，并以500r/min持续搅拌防止载体溶液中的载体聚沉；

(2)配制浓度为0.1mol/L的氯铂酸溶液，按照质量载量为60％的要求逐滴将6.07mL的氯铂酸溶液加入到所述步骤(1)得到的载体溶液中并剧烈搅拌，持续搅拌1h；

(3)将所述步骤(2)搅拌后得到的溶液导入表面皿中放入冰箱中低温冷冻结冰30min，然后放入冷冻干燥机器中进行冷冻干燥，得到均匀吸附金属盐的载体前驱体粉末；

(4)将所述步骤(3)得到的载体前驱体粉末放入自制的等离子体反应器中，通入氩气5min之后关闭氩气，然后采用800W等离子体处理5min，即得到科琴黑负载铂金属纳米颗粒材料。

本实施例得到的科琴黑负载铂金属纳米颗粒材料的X射线衍射图如图7所示。根据图7可知，铂纳米颗粒以和好的晶型生长在科琴黑表面。

实施例6：

一种普适性制备科琴黑负载多元合金(铂、铁、钴、镍、铜)纳米颗粒的方法，包括如下步骤：

(1)将80mg科琴黑分散在40mL超纯水中，利用超声波细胞粉碎半小时得到分散均匀的载体溶液，并以500r/min持续搅拌防止载体溶液中的载体聚沉；

(2)分别配制浓度为0.1mol/L的铂、铁、钴、镍、铜的硝酸盐混合溶液，按照质量载量为10％的要求逐滴将200μL的铂、200μL的铁、200μL的钴、200μL的镍、200μL铜的氯化盐溶液加入到所述步骤(1)得到的载体溶液中并剧烈搅拌，持续搅拌1h；

(3)将所述步骤(2)搅拌后得到的溶液导入表面皿中放入冰箱中低温冷冻结冰10min，然后放入冷冻干燥机器中进行冷冻干燥，得到均匀吸附金属盐的载体前驱体粉末；

(4)将所述步骤(3)得到的载体前驱体粉末放入自制的等离子体反应器中，通入氩气5min之后关闭氩气，然后采用800W等离子体处理5min，即得到科琴黑负载多元合金(铂、铁、钴、镍、铜)纳米颗粒材料。

本实施例得到的科琴黑负载多元合金(铂、铁、钴、镍、铜)纳米颗粒材料的X射线衍射图如图8所示。根据图8可知，多元合金被成功制备。

Claims (10)

1.一种普适性制备负载型金属单原子/金属纳米颗粒的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将所需载体分散在纯水中，利用超声波细胞粉碎得到分散均匀的载体溶液，并持续搅拌防止载体溶液中的载体聚沉；

(2)配制金属盐溶液，按照载量要求逐滴将所述金属盐溶液加入到所述步骤(1)得到的载体溶液中进行搅拌；

(3)将所述步骤(2)搅拌后得到的溶液导入表面皿中冷冻结冰，然后进行冷冻干燥，得到均匀吸附金属盐的载体前驱体粉末；

(4)将所述步骤(3)得到的载体前驱体粉末在真空条件下进行射频等离子体处理，即得到负载型金属单原子/金属纳米颗粒。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述载体包括石墨烯、碳纳米管、科琴黑、氧化铝、分子筛、氧化钛、氧化铈、氧化钨、碳纸、碳布、碳纤维和泡沫镍中的任意一种或几种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述超声波细胞粉碎的时间为0.1h-0.5h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述金属盐溶液所含金属元素包括铂、钯、钌、铱、金、银、铑、铁、钴、镍、铜、锌、钼、钨、钛、锡、铈和镓中的任意一种或几种。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述金属盐溶液包含任意五种以上的金属元素，最终制备得到的产物为高熵合金纳米颗粒。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述金属盐溶液为可溶于水的金属盐溶液，所述金属盐溶液中所含金属离子的浓度为0.1-1mol/L。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，当制备负载型金属单原子时，所述负载型金属单原子中所含金属单原子的质量载量为0.01％-5％；当制备负载型金属纳米颗粒时，所述负载型金属纳米颗粒中所含金属纳米颗粒的质量载量为5％-60％；搅拌时间为1-24h。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，冷冻时间为至少10min。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，射频等离子体采用的射频电源频率为13.56MHz，射频等离子体处理的时间为5min-1h，射频等离子体处理的功率为100W-1000W。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，等离子体处理是在低于300Pa的气压环境中进行，其中所含气氛为氩气、氮气、氨气、氦气或六氟化硫气体。

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