CN112941541B - 一种单原子二维材料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种单原子二维材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112941541B CN112941541B CN201911268294.5A CN201911268294A CN112941541B CN 112941541 B CN112941541 B CN 112941541B CN 201911268294 A CN201911268294 A CN 201911268294A CN 112941541 B CN112941541 B CN 112941541B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- monoatomic
- solution
- dimensional material
- metal ions
- mxenes
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 100
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 58
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 69
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 55
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 18
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 claims description 12
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 claims description 5
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 4
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 claims description 4
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 claims description 4
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 claims description 4
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 claims description 4
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 claims description 3
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 claims description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 3
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001417 caesium ion Inorganic materials 0.000 claims description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 2
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 claims description 2
- 229910001419 rubidium ion Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001427 strontium ion Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 27
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 25
- 238000000137 annealing Methods 0.000 abstract description 12
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 29
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 29
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 18
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 18
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 17
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 15
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 10
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 9
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 9
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 8
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 description 7
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M Lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 5
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 4
- CPRMKOQKXYSDML-UHFFFAOYSA-M rubidium hydroxide Chemical compound [OH-].[Rb+] CPRMKOQKXYSDML-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Natural products N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- NLSCHDZTHVNDCP-UHFFFAOYSA-N caesium nitrate Chemical compound [Cs+].[O-][N+]([O-])=O NLSCHDZTHVNDCP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001805 chlorine compounds Chemical group 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- IIPYXGDZVMZOAP-UHFFFAOYSA-N lithium nitrate Chemical compound [Li+].[O-][N+]([O-])=O IIPYXGDZVMZOAP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012621 metal-organic framework Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N potassium nitrate Chemical compound [K+].[O-][N+]([O-])=O FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 2
- DHEQXMRUPNDRPG-UHFFFAOYSA-N strontium nitrate Chemical compound [Sr+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O DHEQXMRUPNDRPG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LWIHDJKSTIGBAC-UHFFFAOYSA-K tripotassium phosphate Chemical compound [K+].[K+].[K+].[O-]P([O-])([O-])=O LWIHDJKSTIGBAC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021586 Nickel(II) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000005899 aromatization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000012876 carrier material Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- UFMZWBIQTDUYBN-UHFFFAOYSA-N cobalt dinitrate Chemical compound [Co+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O UFMZWBIQTDUYBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001981 cobalt nitrate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- XTVVROIMIGLXTD-UHFFFAOYSA-N copper(II) nitrate Chemical compound [Cu+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O XTVVROIMIGLXTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000001723 curing Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000001089 mineralizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L nickel dichloride Chemical compound Cl[Ni]Cl QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000159 nickel phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- JOCJYBPHESYFOK-UHFFFAOYSA-K nickel(3+);phosphate Chemical compound [Ni+3].[O-]P([O-])([O-])=O JOCJYBPHESYFOK-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- DCKVFVYPWDKYDN-UHFFFAOYSA-L oxygen(2-);titanium(4+);sulfate Chemical compound [O-2].[Ti+4].[O-]S([O-])(=O)=O DCKVFVYPWDKYDN-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 235000010333 potassium nitrate Nutrition 0.000 description 1
- 239000004323 potassium nitrate Substances 0.000 description 1
- 229910000160 potassium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011009 potassium phosphates Nutrition 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 229910000344 rubidium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- GANPIEKBSASAOC-UHFFFAOYSA-L rubidium(1+);sulfate Chemical compound [Rb+].[Rb+].[O-]S([O-])(=O)=O GANPIEKBSASAOC-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- UUCCCPNEFXQJEL-UHFFFAOYSA-L strontium dihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Sr+2] UUCCCPNEFXQJEL-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910001866 strontium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 1
- 229910000348 titanium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- LRXTYHSAJDENHV-UHFFFAOYSA-H zinc phosphate Chemical compound [Zn+2].[Zn+2].[Zn+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O LRXTYHSAJDENHV-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 229910000165 zinc phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L zinc sulfate Chemical compound [Zn+2].[O-]S([O-])(=O)=O NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000368 zinc sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229960001763 zinc sulfate Drugs 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
- B01J21/18—Carbon
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/06—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of zinc, cadmium or mercury
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
- B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
- B01J23/42—Platinum
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
- B01J23/72—Copper
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
- B01J23/74—Iron group metals
- B01J23/745—Iron
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
- B01J23/74—Iron group metals
- B01J23/75—Cobalt
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
- B01J23/74—Iron group metals
- B01J23/755—Nickel
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
- B01J23/76—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
- B01J23/80—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36 with zinc, cadmium or mercury
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
- B01J35/33—Electric or magnetic properties
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
本申请提供了一种单原子二维材料的制备方法，其特征在于，包括：a)制备含有目标金属离子、分散金属离子和MXenes的溶液；b)将所述溶液与矿化剂混合，得到矿化后的MXenes；以及c)干燥含有矿化后的MXenes的溶液，以制得所述单原子二维材料。本申请还提供了一种单原子二维材料极其应用。本申请提供的制备方法中，通过使用具有基团丰富和导电两种性质的MXenes作为衬底，使得由该方法制备得到金属单原子二维材料不需要经过高温退火，就具有良好的导电性。
Description
技术领域
本申请涉及一种单原子二维材料的制造领域及其制备方法，属于材料领域。
背景技术
当材料的尺度降低到单原子尺度时，与普通纳米材料相比，其具有极高的活泼性、独特的物理化学性质以及在技术方面潜在的诸多应用，这样的材料称为单原子材料。由于具有上述独特性质，单原子材料备受世界各地科学家的关注，是当今材料科学领域的研究热点。2011年，张涛课题组最早成功制备出单原子Pt/FeOx催化剂，在CO氧化和CO选择性氧化反应中表现出很高的催化活性和稳定性，并由此提出单原子催化的概念。2012年，E.CharlesH.Sykes课题组利用单原子Pd分散在Cu(111)面上，该催化剂对于加氢反应具有良好的选择性。2014年，大连化物所包信和院士课题组制备的原子级分散的Fe/SiO2在甲烷无氧制乙烯及芳构化取得重要进展。2015年包信和院士课题组又制备了单原子金属掺杂促进了惰性二维材料MoS2表面的电催化析氢活性。2016年厦门大学郑南峰课题组用简单的光化学方法合成的Pd/TiO2单原子分散的催化剂在C＝C和C＝O加氢反应中具有极佳的活性。2017年清华大学李亚栋课题组制备了负载有孤立Fe单原子的N掺杂的多孔碳材料可作为氧还原反应的高效电催化剂和采用金属有机骨架(MOFs)为载体制备含有Ni单原子的催化剂来高效还原CO2在应用方面，目前单原子材料的研究主要集中在CO氧化、选择性加氢、水煤气变换等经典化学反应上，未来将进一步扩大单原子材料在传统领域的应用研究，同时拓展单原子研究体系，将其应用于燃料电池、光电催化等新兴领域。
单原子材料作为负载型材料，选择一种优良的载体材料至关重要。随着石墨烯的成功剥落，在过去十年里我们见证了二维材料的快速发展。二维材料如金属硫族化合物、过渡族金属氧化物、拓扑绝缘体以及其它的二维材料复合物获得了人们的广泛关注。由于具有独特的性能以及高的比表面积，这些二维材料在许多方面都具有应用潜力，例如光电设备、自旋设备、催化剂、化学和生物传感器、超电容、太阳能电池以及锂离子电池等领域。
二维材料具有极大的比表面积，将单原子与二维材料结合得到单原子二维材料是当下研究的一个热点。目前，单原子二维材料的主要制备方法为共沉积法、原子层沉积法、反OSTWALD熟化法以及逐步还原法。但是，上述方法存在以下问题：单原子电催化剂需要导电，这就需要退火过程高温还原单原子电催化剂，增加单原子电催化剂的导电性，但是单原子极大的表面自由能造成其在高温过程中极易发生团聚耦合形成大的团簇，从而导致单原子率较低；制备过程操作复杂、不易把控，且成本很高，不利于推广应用；单原子稳定性差，极易与衬底脱离。
目前所有的单原子二维材料电催化剂制备，都是离子吸附在二维材料表面附着单原子的策略。这种策略需要二维材料具有足够的基团吸附金属离子，来固定单原子；但是过多的基团却导致二维材料导电能力差，这就需要退火来减少基团数量，提升晶体质量来提升二维材料的导电性。所以，高温退火步骤是所有的单原子二维材料电催化剂制备中不可或缺的
综上，现有的制备方法根本无法避免高温过程，进而得到真正意义上的单原子二维材料电催化剂，因此，开发一种无需退火的单原子二维材料的制备新方法是非常有必要的。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种单原子二维材料的制备方法，该方法选择既具有导电性又含有可以吸附金属离子的基团的二维材料，这样就可以省去高温退火步骤，从而保证单原子的高分散性和活性。
所述单原子二维材料的制备方法，其特征在于，包括：a)制备含有目标金属离子、分散金属离子和MXenes的溶液；b)将所述溶液与矿化剂混合，得到矿化后的MXenes；以及c)干燥含有矿化后的MXenes的溶液，以制得所述单原子二维材料。
可选地，所述目标金属离子选自Pt、Pd、Au、Ir、Ag、Rh、Os、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Ti、Sc、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Cd、In、Sn、Hf、Ta、W、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Tl、Pb或Cu离子中的一种或多种的组合。
可选地，所述分散金属离子选自Li、Na、K、Rb、Cs或Sr离子中的一种或多种的组合。
可选地，所述目标金属离子和所述分散金属离子以氯化盐、硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、磷酸盐中的一种或多种形成的组合的形式存在。
可选地，所述溶液中，目标金属离子、分散金属离子与模板的摩尔浓度之比为1～10:1～20:1。
可选地，目标金属离子与模板的摩尔浓度之比为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1以及任意两个比例之间的范围值。
可选地，分散金属离子与模板的摩尔浓度之比为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1、11:1、12:1、13:1、14:1、15:1、16:1、17:1、18:1、19:1、20:1以及任意两个比例之间的范围值。
可选地，所述矿化剂为碱性溶液，所述碱性溶液的浓度为0.1～10mol/L。
可选地，所述矿化剂选自Li、Na、K、Rb、Cs或Sr中的任意一种的氢氧化物以及氨水中的至少一种，以使目标金属离子沉淀于MXenes表面。
可选地，所述干燥方法为冷冻干燥。
可选地，该制备方法包括：1)配制含有目标金属离子的盐、含有分散金属离子的盐的溶液A；2)将所述溶液A与MXenes溶液混合，在10℃～100℃的温度下搅拌，吸附0.1～10h，然后进行离心、洗涤，得到吸附有目标金属离子、分散金属离子的MXenes；4)将所述吸附有目标金属离子、含有分散金属离子的MXenes与所述矿化剂混合，并离心、洗涤；5)对步骤4)得到的MXenes用溶剂B分散后，进行冷冻干燥，以制得所述单原子二维材料。
可选地，所述溶液A的溶剂、所述MXenes溶液的溶剂、所述溶剂B以及洗涤所用的溶剂选自甲醇、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、水中的一种或多种的组合。
可选地，所述MXenes的表面含有氟基和羟基基团，并且所述MXenes具有导电性。
可选地，所述单原子二维材料具有二维片或者手风琴形貌。
作为一个具体的实施例，本发明是这样实现的：一种以MXenes为基底的金属单原子二维材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将含有金属A、金属B的水溶性盐用去离子水溶解配制成溶液，其中，金属A盐为Pt、Pd、Au、Ir、Ag、Rh、Os、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Ti、Sc、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Cd、In、Sn、Hf、Ta、W、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Tl、Pb或Cu中任意一种的氯化盐，硝酸盐或硫酸盐；金属B盐为Li、Na、K、Rb、Cs或Sr中的任意一种的氯化盐，硝酸盐或硫酸盐。
(2)将步骤(1)中混合溶液倒入MXenes水溶液中，室温搅拌、吸附0.1～10h后，离心，去上清液，固体再用去离子水洗涤，得到吸附有两种金属离子的MXenes。
(3)将步骤(2)得到的吸附有两种金属离子的MXenes加入到含有矿化剂的溶液中，使吸附在MXenes表面的金属A离子矿化，使金属A以单原子形式附着于MXenes表面，固体再用去离子水洗涤，除去矿化剂，其中，矿化剂为Li、Na、K、Rb、Cs或Sr中的任意一种的氢氧化物或者氨水。
(4)将步骤(3)中的MXenes分散于去离子水中，并将其冷冻，再将冷冻后的产品置于冷冻干燥机中，除去水分，得到以MXenes为衬底的金属单原子二维材料，吸附用的衬底为MXenes，MXenes表面含有氟基和羟基基团并且导电。
根据本申请的另一个方面，还提供了一种单原子二维材料，包括：衬底；金属离子，吸附在衬底上；其中，所述衬底为MXenes。
可选地，在上述单原子二维材料中，所述金属离子选自Pt、Pd、Au、Ir、Ag、Rh、Os、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Ti、Sc、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Cd、In、Sn、Hf、Ta、W、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Tl、Pb或Cu离子中的一种或多种的组合。
根据本申请的又一个方面，还提供了上述单原子二维材料在电催化、离子电池、光催化、气体催化、电子技术领域中的应用。
在本申请中，发明人出乎意料地发现，MXenes具有众多的氟基和羟基基团，可以用于吸附金属离子，同时MXenes具有类似于金属的高导电性，可用作制备免于高温退火的单原子二维材料的理想基底。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请提供的制备方法中，通过使用具有基团丰富和导电两种性质的MXenes作为衬底，使得由该方法制备得到金属单原子二维材料不需要经过高温退火，就具有良好的导电性。
2)本申请所制得的单原子二维材料可应用于电催化、离子电池、光催化、气体催化、电子技术等领域。
3)本申请所提供的制备方法有效地解决了金属单原子在制备过程中因高温退火形成团簇的问题，提高了终产品的单原子率；并提高了金属单原子的稳定性，解决了金属单原子易与衬底脱离的问题，得了真正意义上免烧的金属单原子二维材料，这是现有制备方法所不能实现的。
4)本申请所提供的制备方法简单、环保，成本低，容易实施，便于推广应用，为金属单原子二维材料的工业化应用提供了基础保障。
5)本发明所述的制备方法不需要高温退火，可以制备很多低挥发点低熔点的金属单原子二维材料。
6)本发明所述基底可以量产，制备方法简便可以作为大规模制备单原子二维材料的有效方法，具有广泛的市场应用前景。
附图说明
图1为本申请的实施例4的单原子Ni/MXenes二维材料的制备流程图。
图2为本申请实施例1～5中制备得到的单原子Cu、Fe、Co、Zn、Ni/MXenes二维材料和纯MXenes二维材料的X-ray衍射图。
图3为是根据本申请实施例6的单原子Pt/MXenes二维材料的球差矫正扫描透射图。
图4为根据本申请实施例1的纯MXenes二维材料的SEM图。
图5为根据本申请实施例1～4中制备得到的Fe(a)、Co(b)、Zn(c)、Ni(d)/MXenes二维材料扫描电镜图。
图6是根据实施例4的纯MXenes,单原子镍负载在MXenes上(Ni/MXenes)，镍纳米颗粒负载在MXenes上(Ni NPs/MXenes)的电催化分解水制氢性能图，电解液为1M氢氧化钾溶液。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买，其中，MXenes购自北科新材。
本申请的实施例中分析方法如下：
X-ray衍射图测试方法为：利用X射线衍射仪(型号为：Bede D1)进行粉末样品测试。
二维材料扫描电镜图测试方法为：利用扫描电镜(型号为JSM-7900F)进行粉末样品测试。
球差矫正扫描透射测试方法为：利用球差矫正扫描透射电镜(型号为ARM-200F)进行粉末样品测试。
材料的电催化制氢的性能方法为：利用电化学工作站(型号为：CHI760)进行粉末样品测试。
实施例1：单原子钴/MXenes二维材料的制备方法。
(1)用去离子水配制含量为100mg/mL硝酸钴、200mg/mL的硝酸钾混合溶液A，5mL。
(2)配置浓度为10mg/mL的MXenes水溶液B，10毫升，将步骤(1)配置的混合溶液A放入到B溶液中，于室温下搅拌6分钟，使金属离子吸附到MXenes表面。
(3)将搅拌好的MXenes溶液，用离心机、去离子水洗涤，得到吸附有两种金属离子的MXenes。
(4)配置浓度为10M的氢氧化锶水溶液10mL，将步骤(3)得到的MXenes放入氢氧化钾水溶液中静置20min，然后把该溶液用离心机、去离子水洗涤，得到矿化后的MXenes。
(5)将步骤(4)得到的MXenes用10毫升水分散，然后用液氮冷冻成冰块，将所得冰块放入冷冻干燥机中以除去固体中的水分，得到固体的单原子钴/MXenes二维材料。冷冻干燥机内温度为-50℃，气压为23Pa，冷冻干燥时间为1天。
实施例2：单原子锌/MXenes二维材料的制备方法。
(1)用去离子水配制含量为100mg/mL硫酸锌、200mg/mL的硫酸钠混合溶液A，5mL。
(2)配置浓度为10mg/mL的MXenes水溶液B，10毫升，将步骤(1)配置的混合溶液A放入到B溶液中，于100℃下搅拌10小时，使金属离子吸附到MXenes表面。
(3)将搅拌好的MXenes溶液，用离心机、去离子水洗涤，得到吸附有两种金属离子的MXenes。
(4)配置浓度为0.1M的氨水水溶液10mL，将步骤(3)得到的MXenes放入氨水水溶液中静置20min，然后把该溶液用离心机、去离子水洗涤，得到矿化后的MXenes。
(5)将步骤(4)得到的MXenes用10毫升水分散，然后用液氮冷冻成冰块，将所得冰块放入冷冻干燥机中以除去固体中的水分，得到固体的单原子锌/MXenes二维材料。冷冻干燥机内温度为-50℃，气压为23Pa，冷冻干燥时间为1天。
实施例3：单原子铁/MXenes二维材料的制备方法。
(1)用去离子水配制含量为100mg/mL氯化铁、200mg/mL的硝酸锂混合溶液A，5mL。
(2)配置浓度为10mg/mL的MXenes水溶液B，10毫升，将步骤(1)配置的混合溶液A放入到B溶液中，于15℃下搅拌60分钟，使金属离子吸附到MXenes表面。
(3)将搅拌好的MXenes溶液，用离心机、去离子水洗涤，得到吸附有两种金属离子的MXenes。
(4)配置浓度为1M的氢氧化锂水溶液10mL，将步骤(3)得到的MXenes放入氢氧化锂水溶液中静置20min，然后把该溶液用离心机、去离子水洗涤，得到矿化后的MXenes。
(5)将步骤(4)得到的MXenes用10毫升水分散，然后用液氮冷冻成冰块，将所得冰块放入冷冻干燥机中以除去固体中的水分，得到固体的单原子铁/MXenes二维材料。冷冻干燥机内温度为-50℃，气压为23Pa，冷冻干燥时间为1天。
实施例4：单原子镍/MXenes二维材料的制备方法。
(1)用去离子水配制含量为100mg/mL氯化镍、200mg/mL的硝酸锶混合溶液A，5mL。
(2)配置浓度为10mg/mL的MXenes水溶液B，10毫升，将步骤(1)配置的混合溶液A放入到B溶液中，于室温下搅拌30分钟，使金属离子吸附到MXenes表面。
(3)将搅拌好的MXenes溶液，用离心机、去离子水洗涤，得到吸附有两种金属离子的MXenes。
(4)配置浓度为1M的氢氧化钾水溶液10mL，将步骤(3)得到的MXenes放入氢氧化钾水溶液中静置20min，然后把该溶液用离心机、去离子水洗涤，得到矿化后的MXenes。
(5)将步骤(4)得到的MXenes用10毫升水分散，然后用液氮冷冻成冰块，将所得冰块放入冷冻干燥机中以除去固体中的水分，得到固体的单原子镍/MXenes二维材料。冷冻干燥机内温度为-50℃，气压为23Pa，冷冻干燥时间为1天。
实施例5：单原子铜/MXenes二维材料的制备方法。
(1)用去离子水配制含量为100mg/mL硝酸铜、200mg/mL的硝酸铯混合溶液A，5mL。
(2)配置浓度为10mg/mL的MXenes水溶液B，10毫升，将步骤(1)配置的混合溶液A放入到B溶液中，于室温下搅拌180分钟，使金属离子吸附到MXenes表面。
(3)将搅拌好的MXenes溶液，用离心机、去离子水洗涤，得到吸附有两种金属离子的MXenes。
(4)配置浓度为1M的氢氧化钠水溶液10mL，将步骤(3)得到的MXenes放入氢氧化钠水溶液中静置20min，然后把该溶液用离心机、去离子水洗涤，得到矿化后的MXenes。
(5)将步骤(4)得到的MXenes用10毫升水分散，然后用液氮冷冻成冰块，将所得冰块放入冷冻干燥机中以除去固体中的水分，得到固体的单原子铜/MXenes二维材料。冷冻干燥机内温度为-50℃，气压为23Pa，冷冻干燥时间为1天。
实施例6：单原子铂/MXenes二维材料的制备方法。
(1)用去离子水配制含量为10mg/mL氯铂酸、200mg/mL的氯化钠混合溶液A，5mL。
(2)配置浓度为10mg/mL的MXenes水溶液B，10毫升，将步骤(1)配置的混合溶液A放入到B溶液中，于室温下搅拌240分钟，使金属离子吸附到MXenes表面。
(3)将搅拌好的MXenes溶液，用离心机、去离子水洗涤，得到吸附有两种金属离子的MXenes。
(4)配置浓度为1M的氢氧化钾水溶液10mL，将步骤(3)得到的MXenes放入氢氧化钠水溶液中静置20min，然后把该溶液用离心机、去离子水洗涤，得到矿化后的MXenes。
(5)将步骤(4)得到的MXenes用10毫升水分散，然后用液氮冷冻成冰块，将所得冰块放入冷冻干燥机中以除去固体中的水分，得到固体的单原子铂/MXenes二维材料。冷冻干燥机内温度为-50℃，气压为23Pa，冷冻干燥时间为1天。
实施例7：单原子钛/MXenes二维材料的制备方法
(1)用去离子水配制含量为20mg/mL硫酸钛、20mg/mL的硫酸铷混合溶液A，5mL。
(2)配置浓度为10mg/mL的MXenes甲醇溶液B，10毫升，将步骤(1)配置的混合溶液A放入到B溶液中，于室温下搅拌40分钟，使金属离子吸附到MXenes表面。
(3)将搅拌好的MXenes溶液，用离心机、去离子水洗涤，得到吸附有两种金属离子的MXenes。
(4)配置浓度为0.5M的氢氧化铷水溶液10mL，将步骤(3)得到的MXenes放入氢氧化铷水溶液中静置20min，然后把该溶液用离心机、去离子水洗涤，得到矿化后的MXenes。
(5)将步骤(4)得到的MXenes用10毫升水分散，然后用液氮冷冻成冰块，将所得冰块放入冷冻干燥机中以除去固体中的水分，得到固体的单原子钛/MXenes二维材料。冷冻干燥机内温度为-50℃，气压为23Pa，冷冻干燥时间为1天。
实施例8：单原子镍、锌/MXenes二维材料的制备方法
(1)用去离子水配制含量为200mg/mL磷酸镍、200mg/mL磷酸锌、400mg/mL的磷酸钾混合溶液A，5mL。
(2)配置浓度为10mg/mL的MXenes乙醇溶液B，10毫升，将步骤(1)配置的混合溶液A放入到B溶液中，于室温下搅拌50分钟，使金属离子吸附到MXenes表面。
(3)将搅拌好的MXenes溶液，用离心机、去离子水洗涤，得到吸附有两种金属离子的MXenes。
(4)配置浓度为1.5M的氢氧化钾水溶液10mL，将步骤(3)得到的MXenes放入氢氧化钾水溶液中静置20min，然后把该溶液用离心机、去离子水洗涤，得到矿化后的MXenes。
(5)将步骤(4)得到的MXenes用10毫升水分散，然后用液氮冷冻成冰块，将所得冰块放入冷冻干燥机中以除去固体中的水分，得到固体的单原子镍、锌/MXenes二维材料。冷冻干燥机内温度为-50℃，气压为23Pa，冷冻干燥时间为1天。
其它种类金属单原子/MXenes二维材料的制备方法与上述方法基本相同，在此不一一列举。
产物分析：
利用X射线衍射仪，对实施例1～5中制备得到的单原子Cu、Fe、Co、Zn、Ni/MXenes二维材料和纯MXenes二维材料进行分析，得到的X-ray衍射图如图2所示(由于实施例6-8中制备得到的单原子铂/MXenes二维材料、单原子钛/MXenes二维材料、单原子镍、锌/MXenes二维材料与实施例1基本相似，因此不再单独列出)。图2显示Cu、Fe、Co、Zn、Ni/MXenes二维材料和纯MXenes二维材料的X-ray衍射峰数量位置接近，没有出现杂峰，也就说明没有出现Cu、Fe、Co、Zn、Ni的团簇，证明这些金属元素是以单原子形式存在的。
对实施例6中的单原子铂/MXenes进行球差矫正电镜表征，结果见图3，图中的白色亮点为单原子铂，可以看出Pt以单原子的形式分布在MXenes的表面，这是单原子的直接证据。
对实施例1中的纯MXenes二维材料分别进行SEM分析，结果见图4，结果表明：纯MXenes表面没有团簇或者颗粒。
对实施例1～4中制备得到的Fe(a)、Co(b)、Zn(c)、Ni(d)/MXenes二维材料进行扫描电镜分析，结果见图5，表明：在这些MXenes表面也没有见到颗粒，表明这些金属元素在MXenes表面为单原子分布。
性能测试：
对实施例4中制备得到的单原子镍/MXenes二维材料进行电催化分解水制氢性能表征，结果见图6，表明Ni/MXenes的性能要明显优于Ni NPs/MXenes和MXenes，说明单原子可以提升Ni的产氢活性。
综上，根据本申请提供的制备方法，通过使用具有基团丰富和导电两种性质的MXenes作为衬底，使得由该方法制备得到金属单原子二维材料不需要经过高温退火，就具有良好的导电性，有效地解决了金属单原子在制备过程中因高温退火形成团簇的问题，提高了终产品的单原子率；并提高了金属单原子的稳定性，解决了金属单原子易与衬底脱离的问题，得了真正意义上免烧的金属单原子二维材料。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (12)
1.一种单原子二维材料的制备方法，其特征在于，包括：
a)制备含有目标金属离子、分散金属离子和MXenes的溶液；
b)将所述溶液与矿化剂混合，得到矿化后的MXenes；以及
c)干燥含有矿化后的MXenes的溶液，以制得所述单原子二维材料；
所述矿化剂为碱性溶液，所述碱性溶液的浓度为0.5～1.5mol/L；
所述矿化剂选自Li、Na、K、Rb、Cs或Sr中的任意一种的氢氧化物以及氨水中的至少一种；
所述干燥方法为冷冻干燥。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述目标金属离子选自Pt、Pd、Au、Ir、Ag、Rh、Os、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Ti、Sc、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Cd、In、Sn、Hf、Ta、W、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Tl、Pb或Cu离子中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散金属离子选自Li、Na、K、Rb、Cs或Sr离子中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述目标金属离子和所述分散金属离子以氯化盐、硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、磷酸盐中的一种或多种形成的组合的形式存在。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶液中，目标金属离子、分散金属离子与MXenes的摩尔浓度之比为1～10:1～20:1。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括：
1)配制含有目标金属离子的盐、含有分散金属离子的盐的溶液A；
2)将所述溶液A与MXenes溶液混合，在10℃～100℃的温度下搅拌，吸附0.5～1h，然后进行离心、洗涤，得到吸附有目标金属离子、分散金属离子的MXenes；
3)将所述吸附有目标金属离子、含有分散金属离子的MXenes与所述矿化剂混合，并离心、洗涤；
4)对步骤3)得到的MXenes用溶剂B分散后，进行冷冻干燥，以制得所述单原子二维材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述溶液A的溶剂、所述MXenes溶液的溶剂、所述溶剂B以及洗涤所用的溶剂选自甲醇、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、水中的一种或多种的组合。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述MXenes的表面含有氟基和羟基基团，并且所述MXenes具有导电性。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单原子二维材料具有二维片或者手风琴形貌。
10.权利要求1至9任一项所述的制备方法制备的单原子二维材料，其特征在于，包括：
衬底；
金属离子，吸附在衬底上；
其中，所述衬底为MXenes。
11.根据权利要求10所述的单原子二维材料，其中，所述金属离子选自Pt、Pd、Au、Ir、Ag、Rh、Os、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Ti、Sc、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Cd、In、Sn、Hf、Ta、W、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Tl、Pb或Cu离子中的一种或多种的组合。
12.根据权利要求1～9中任一项所述的制备方法制备得到的单原子二维材料以及权利要求10或11所述的单原子二维材料在电催化、离子电池、光催化、气体催化、电子技术领域中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911268294.5A CN112941541B (zh) | 2019-12-11 | 2019-12-11 | 一种单原子二维材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911268294.5A CN112941541B (zh) | 2019-12-11 | 2019-12-11 | 一种单原子二维材料及其制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112941541A CN112941541A (zh) | 2021-06-11 |
| CN112941541B true CN112941541B (zh) | 2024-02-06 |
Family
ID=76234131
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911268294.5A Active CN112941541B (zh) | 2019-12-11 | 2019-12-11 | 一种单原子二维材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112941541B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114130353B (zh) * | 2021-11-29 | 2022-11-11 | 中国地质大学（武汉） | 一种二维黏土基金属镧单原子吸附剂及其制备方法和应用 |
| CN114182286A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-15 | 太原理工大学 | 一种水热法制备Ni-Ti3C2复合电催化剂的方法 |
| CN114471660B (zh) * | 2022-02-08 | 2024-01-16 | 东莞理工学院 | 一种MXenes复合材料及其制备方法与应用 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106475573A (zh) * | 2016-11-01 | 2017-03-08 | 河北大学 | 一种以石墨烯为衬底的金属单原子二维材料的制备及应用 |
-
2019
- 2019-12-11 CN CN201911268294.5A patent/CN112941541B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106475573A (zh) * | 2016-11-01 | 2017-03-08 | 河北大学 | 一种以石墨烯为衬底的金属单原子二维材料的制备及应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112941541A (zh) | 2021-06-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cui et al. | Highly selective electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia at ambient temperature and pressure over iron oxide catalysts | |
| Yang et al. | Secondary‐component incorporated hollow MOFs and derivatives for catalytic and energy‐related applications | |
| Chen et al. | From bimetallic metal-organic framework to porous carbon: high surface area and multicomponent active dopants for excellent electrocatalysis | |
| CN107252700B (zh) | 一种催化中心均匀分布的多金属磷化物纳米管催化剂及低温制备方法 | |
| CN112941541B (zh) | 一种单原子二维材料及其制备方法和应用 | |
| Xie et al. | In situ growth of cobalt@ cobalt-borate core–shell nanosheets as highly-efficient electrocatalysts for oxygen evolution reaction in alkaline/neutral medium | |
| Huang et al. | Activating C–H bonds by tuning Fe sites and an interfacial effect for enhanced methanol oxidation | |
| He et al. | Architecture of CoN x single clusters on nanocarbon as excellent oxygen reduction catalysts with high-efficient atomic utilization | |
| CN111584889B (zh) | 一种含锌单原子催化剂及其制备方法与应用 | |
| CN114108004B (zh) | 一种钌基合金催化剂及其制备方法和应用 | |
| Wang et al. | Enhancing hydrogen oxidation electrocatalysis of nickel-based catalyst by simultaneous chemical anchoring and electronic structure regulation | |
| Wu et al. | Metal-organic frameworks based single-atom catalysts for advanced fuel cells and rechargeable batteries | |
| CN111437864A (zh) | 一种高分散Cu/NC纳米簇催化剂及其制备方法 | |
| Parkash | Incorporation of Pt–Cr nanoparticles into highly porous MOF-5 as efficient oxygen reduction electrocatalysts | |
| CN112725819A (zh) | 一种钨钼基氮碳化物纳米材料及其制备方法与应用 | |
| CN115896848A (zh) | 一种氮/硫共掺杂多孔碳负载锌单原子/金属铜串联催化剂及其制备方法和应用 | |
| Xu et al. | Synthesis of a Hexagonal-Phase Platinum–Lanthanide Alloy as a Durable Fuel-Cell-Cathode Catalyst | |
| CN112886024B (zh) | 杨梅状钴镍硼复合碳材料质子膜燃料电池催化剂的制备方法 | |
| CN109261154A (zh) | 类石墨烯框架负载单原子结构材料及其制备方法和应用 | |
| CN110668415B (zh) | 基于气相二氧化硅制备原子级分散的金属氮碳材料的方法 | |
| Tian et al. | In Situ Formation of CoP/Co3O4 Heterojunction for Efficient Overall Water Splitting | |
| CN114855216B (zh) | 一种镍基制氢催化剂及其合成方法、应用 | |
| Guo et al. | Using elastin protein to develop highly efficient air cathodes for lithium-O2 batteries | |
| Hwang et al. | Binary cobalt and magnesium hydroxide catalyst for oxygen evolution reaction in alkaline water electrolysis | |
| CN113751037B (zh) | 一种结合有机金属框架的金属碳化物Fe3C/Mo2C的制备和应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |