微波輔助快速合成石墨烯負(fù)載的單原子金屬

摘要
  石墨烯負(fù)載的單原子金屬（G-SAMs）由于具有卓越的催化、電子和磁性，近來(lái)引起了人們極大的研究興趣。

  開(kāi)發(fā)具有單分散金屬原子的G-SAMs有效的合成方法，對(duì)于探索它們的基本屬性和潛在應(yīng)用是至關(guān)重要的。本文報(bào)道了一個(gè)方便、快速和一般策略合成一系列嵌入氮摻雜石墨烯中單分散原子過(guò)渡金屬（例如Co，Ni，Cu），用二秒微波加熱胺官能化的氧化石墨烯和金屬鹽的混合物的方法。

  微波加熱這個(gè)簡(jiǎn)單的步驟能夠同時(shí)誘導(dǎo)氧化石墨烯的還原、摻雜氮以及金屬原子在石墨烯晶格中的摻入?？焖傥⒉üに嚳勺畲笙薅鹊販p少金屬擴(kuò)散和聚集，確保石墨烯晶格中的獨(dú)特單金屬原子分散。

  電化學(xué)研究表明：石墨烯負(fù)載的Co原子可以作為高活性電催化劑用于析氫反應(yīng)。 這種微波輔助方法提供了一種快速有效的途徑負(fù)載金屬原子，適用于各種廣泛的應(yīng)用。

詳情  美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的段鑲鋒課題組、黃昱課題組以及沙特阿拉伯國(guó)王大學(xué)的Imran Shakir課題組提出了采用微波加熱技術(shù)來(lái)快速（2秒）制備多種石墨烯負(fù)載的單原子（包括鈷、銅、鎳等金屬）。

研究人員首先將金屬鹽與氨基化氧化石墨烯溶液進(jìn)行混合，利用金屬離子與氨基之間的強(qiáng)相互作用力，將金屬離子均勻分布于氧化石墨烯片層表面，然后將經(jīng)干燥處理后的混合物置于家用微波爐中，在1000 W下加熱2 s；在微波加熱過(guò)程中，石墨烯吸收微波而被激發(fā)，瞬間產(chǎn)生高溫，以一步法同時(shí)實(shí)現(xiàn)石墨烯的還原、氮元素的摻雜以及金屬原子在石墨烯晶格中的嵌入。

圖1中拉曼光譜（Raman）、X射線衍射圖譜（XRD）以及X射線光電子能譜（XPS）等結(jié)構(gòu)表征顯示，微波處理有效地去除了氧化石墨烯表面的含氧基團(tuán)，同時(shí)減少了石墨烯表面的缺陷，并實(shí)現(xiàn)了氮元素的摻雜。

圖2. 石墨烯負(fù)載鈷單原子的形貌及原子結(jié)構(gòu)表征

球差矯正電鏡和X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（圖2）顯示，鈷金屬以單原子形式均勻分布于石墨烯基片上，且化合價(jià)態(tài)為≈+1。研究發(fā)現(xiàn)，以微波法合成的金屬單原子相比于經(jīng)傳統(tǒng)熱解法合成的石墨烯負(fù)載MN4C4型單原子（Nat. Catal., 2018, 1, 63）的周邊配位環(huán)境更加無(wú)序化，缺陷程度更高。

圖3. 石墨烯負(fù)載鎳、銅單原子的原子結(jié)構(gòu)表征

除了石墨烯負(fù)載鈷單原子之外，研究者還將微波加熱法進(jìn)行了拓展，成功合成了石墨烯負(fù)載鎳單原子和銅單原子(圖3)，證明了該方法的普適性。

圖4. 石墨烯負(fù)載鈷原子作為高效析氫催化劑

電化學(xué)測(cè)試表明，石墨烯負(fù)載鈷原子在酸性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的產(chǎn)氫（HER）活性，其初始過(guò)電位趨近于0 mV，Tafel斜率為80 mV•dec-1（圖4）。同時(shí)，該催化劑具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。

結(jié)論 利用微波加熱法，開(kāi)發(fā)了一種快速、高效、簡(jiǎn)單且具有普適性的石墨烯負(fù)載單原子合成方法，為石墨烯負(fù)載單原子在催化領(lǐng)域以及其它相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和探索提供了有效的合成途徑。

背景  Microwave‐Assisted Rapid Synthesis of Graphene‐Supported Single Atomic Metals Adv. Mater., 2018, 30, 1802146, DOI: 10.1002/adma.201802146.

發(fā)表于《先進(jìn)材料》2018, 30, 1802146   SCI 影響因子 21.95