一种基于主客体包覆的单原子材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于主客体包覆的单原子材料，使用目标单原子客体材料A、具有对A拥有特定包合作用的主体材料B，以及具有调节作用的辅助材料C组成；目标单原子客体材料A占比为0.1～50％，具有对A拥有特定包合作用的主体材料B占比为0.1～70％，具有调节作用的辅助材料C占比0.1～70％。本发明专利技术以工业化环糊精以及夹心化合物为原料，利用分子间作用力，由于环糊精的外缘是亲水的而内腔是疏水的，可以像酶一样提供一个疏水的结合位点，作为主体(宿主)包裹各种合适的物体(客体)，如夹心化合物。随后将目标单原子空间限制在环糊精分子内腔中得到单原子限域的效果。由于环糊精外腔亲水，包合物可以直接溶解于水溶液中，避免使用有机试剂，更加环保、成本更低。成本更低。成本更低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于主客体包覆的单原子材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及高负载量单原子材料合成
，具体涉及一种基于主客体包覆的单原子材料及其制备方法

技术介绍

[0002]近年来单原子材料在催化和储能等领域引起了广泛关注，因为催化剂的性能取决于活性位点的数量。单原子催化剂(SACs)不但保证催化剂具有多个活性位点，还能显著减少贵金属的总使用量，则具有非常大的竞争优势。通过选择合适的载体，SACs在材料合成、光催化反应、电催化反应、锂硫电池、锌空气电池、有毒气体吸附及燃料电池等多种催化反应中得到了应用，同时有关诸如浸渍法、超级混合器、电过滤法、高温冲击波、原位光沉积法及电弧放电高温合成等新技术也被开发出来。
[0003]通过不同工艺和复合改性，单原子材料的性能得到了显著改善，然而，从实验室到实际工程应用还缺乏高负载SACs的可控合成。首先，要实现SACs的工程应用，至少要满足以下要求：环保、低成本和良好催化性能。作为最先进的催化剂，由于其原料成本高、制备工艺过于复杂以及成品率低等局限性，目前有关SACs的合成工艺还无法满足上述所有要求。其次，由于SACs的催化性能的影响因素包括元素含量、比表面积、微观形貌和粒度等，其中，SACs的负载是一个重要的参数而易于被忽略，所以研究人员通常考虑催化剂中的金属原子尽可能地保持低含量，但过低的金属含量并不能总使单原子具有足够的催化活性。虽然在许多催化反应中，低金属负载量的不足可以通过催化剂用量的增加来弥补，然而单纯增加催化剂用量只在一定程度上提高催化活性，但随着催化剂用量的增加催化剂的比活性逐渐降低。例如，在质子交换膜燃料电池中，虽然过量使用催化剂可以弥补低金属负载的性能损失，但较厚的催化剂层会导致质量输运的损失，进而导致功率密度的损失。而且，高负载SACs的独特性是保持了催化剂的高比活性、显著减少催化剂用量及降低整个装置的质量等优势，从而提高装置的能量密度和功率密度。此外，SACs的高负荷对于建立单原子之间的协同效应也很重要。通过开发配体材料，不同价态的金属原子可以协同作用，防止浸出或纳米颗粒的形成。所以，高负载SACs的可控合成不但会使均相催化和多相催化之间的差距得以缩小，解决有关成本及负载难题，而且将是下一阶段的一个重要发展方向。
[0004]因此，为了解决成本和高负载量问题和提高材料的功率密度，目前科研界和工业界都在研发以及生产新型高效SACs合成方法，显著改善传统的合成方法或创新以更有利于工程化。合成工艺在SACs的合成中起着重要的作用。SACs的关键在于，在合成过程中很难保证原子独立性。由于单个金属原子具有较高的表面能，因此一般的合成方法对于单原子材料的合成并不容易见效。近年来，一些在传统合成方法基础上的改进方法和一些新的合成方法诸如均相反应法、热解法、高能复合法及软着陆质量选择法等逐渐发展并应用于单原子的合成。由于不同的合成方法对于前驱体的选择和前驱体的性质都有对应的要求，因此，那些改进方法和新合成方法均有其局限性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种以工业化环糊精以及夹心化合物为原料，利用分子间作用力，由于环糊精的外缘是亲水的而内腔是疏水的，能够避免使用有机试剂，更加环保、成本更低基于主客体包覆的单原子材料，并提供了基于主客体包覆的单原子材料的制备方法。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于主客体包覆的单原子材料，使用目标单原子客体材料A、具有对A拥有特定包合作用的主体材料B，以及具有调节作用的辅助材料C组成；其中，目标单原子客体材料A占比为0.1～50％，具有对A拥有特定包合作用的主体材料B占比为0.1～70％，具有调节作用的辅助材料C占比0.1～70％。
[0007]进一步地，所述目标单原子客体材料A包含具有三明治结构的夹心化合物中的一种或多种，其中夹心化合物中的金属在整个夹心化合物中的含量为20～70％。
[0008]进一步地，所述具有对A拥有特定包合作用的主体材料B为具有外腔亲水，内腔疏水的环形分子结构的环糊精，环糊精的取代度介于1～12之间。
[0009]进一步地，具有调节作用的辅助材料C为具有调节作用的辅助材料，包括增稠剂、引发剂、交联剂、pH调节剂、导电剂及纤维骨架。
[0010]进一步地，所述增稠剂包括淀粉、阿拉伯胶、果胶、琼脂、明胶、海藻胶、角叉胶、糊精、纤维素、丙二醇藻蛋白酸酯、淀粉磷酸钠、藻蛋白酸钠、酪蛋白、聚丙烯酸钠、聚氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种；
[0011]引发剂包括过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈中的一种或多种；
[0012]交联剂包括二乙烯基苯、二异氰酸酯，N,N～亚甲基双丙烯酰胺、过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、二叔丁基过氧化物中的一种或多种；
[0013]pH调节剂包括盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠、碳酸钠中的一种或多种；
[0014]导电剂包括炭黑导电剂、乙炔黑、科琴黑、石墨导电剂、碳纳米管、石墨烯中的一种或者多种；
[0015]纤维骨架包括碳纤维，玻璃纤维、金属纤维、金属化合物纤维和高分子型纤维。
[0016]本专利技术的基于主客体包覆的单原子材料制备方法，包括如下步骤：
[0017]S1、在搅拌混合容器中，按比例称取使用目标单原子客体材料A和具有对A拥有特定包合作用的主体材料B，并将两种材料溶解于水中形成水溶液，搅拌至水溶液变成透明溶液；
[0018]S2、向溶液中加入按比例称取的具有调节作用的辅助材料C，继续搅拌混合均匀，经过均相反应过程得到产品的前驱体；
[0019]S3、将混合均匀的溶液干燥，然后碳化得到基于主客体包覆的单原子材料。
[0020]加入的A、B、C三种原料总量占整个溶剂的比例为0.1％～50％。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]1、本专利技术以工业化环糊精以及夹心化合物为原料，利用分子间作用力，由于环糊精的外缘是亲水的而内腔是疏水的，可以像酶一样提供一个疏水的结合位点，作为主体(宿主)包裹各种合适的物体(客体)，如夹心化合物。随后将目标单原子空间限制在环糊精分子
内腔中得到单原子限域的效果。由于环糊精外腔亲水，包合物可以直接溶解于水溶液中，避免使用有机试剂，更加环保、成本更低。
[0023]2、本专利技术的制备方法简单、制备成本低、采用的原材料均来自于已工业化的产品、制备技术较为简单、工业化难度小、有望实现工业化大批量生产。
附图说明
[0024]图1为本专利技术中夹心化合物材料A示意图。
[0025]图2为本专利技术中具有包合作用的主题材料B示意图。
[0026]图3为本专利技术材料A和B包合示意图以及反应过程图。
具体实施方式
[0027]一种基于主客体包覆的单原子材料，使用目标单原子客体材料A、具有对A拥有特定包合作用的主体材料B，以及具有调节作用的辅助材料C组成；其中，目标单原子客体材料A占比为0.1～50本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于主客体包覆的单原子材料，其特征在于，使用目标单原子客体材料A、具有对A拥有特定包合作用的主体材料B，以及具有调节作用的辅助材料C组成；其中，目标单原子客体材料A占比为0.1～50％，具有对A拥有特定包合作用的主体材料B占比为0.1～70％，具有调节作用的辅助材料C占比0.1～70％。2.根据权利要求1所述的一种基于主客体包覆的单原子材料，其特征在于，所述目标单原子客体材料A包含具有三明治结构的夹心化合物中的一种或多种，其中夹心化合物中的金属在整个夹心化合物中的含量为20～70％。3.根据权利要求1所述的一种基于主客体包覆的单原子材料，其特征在于，所述具有对A拥有特定包合作用的主体材料B为具有外腔亲水，内腔疏水的环形分子结构的环糊精，环糊精的取代度介于1～12之间。4.根据权利要求1所述的一种基于主客体包覆的单原子材料，其特征在于，具有调节作用的辅助材料C为具有调节作用的辅助材料，包括增稠剂、引发剂、交联剂、pH调节剂、导电剂及纤维骨架。5.根据权利要求4所述的一种基于主客体包覆的单原子材料，其特征在于，所述增稠剂包括淀粉、阿拉伯胶、果胶、琼脂、明胶、海藻胶、角叉胶、糊精、纤维素、丙二醇藻蛋白酸酯、淀粉磷酸钠、藻蛋白酸钠、酪蛋白、聚丙烯酸钠...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖家轩，陈治，冀伟，杨茜，魏雄邦，俞健，王思哲，宋尧琛，
申请(专利权)人：扬州朗轩科技有限公司，
类型：发明
国别省市：