一种负载型单原子催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术提出一种负载型单原子催化剂，所述催化剂是由单分散金属原子均匀地负载在纳米衬底材料表面构成。其制备方法包括：在包含金属盐的电解质溶液中，采用三电极体系进行电化学沉积，以负载有纳米衬底材料的玻碳电极作为工作电极，石墨棒作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，进行线性伏安扫描，使金属原子单分散、均匀地沉积到纳米衬底材料上，得到所述负载型单原子催化剂。所述负载型单原子催化剂基于电沉积构筑单原子结构，通过电沉积方法快速、高效、可控地沉积单原子，且阴阳极沉积均可实现，获得的负载型单原子催化剂在催化和粒子物理领域中的普遍应用也具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种负载型单原子催化剂及其制备方法
本专利技术涉及负载型单原子催化剂
，尤其涉及一种负载型单原子催化剂及其制备方法。
技术介绍
新兴的单原子结构是将单个金属原子相互独立地沉积在衬底材料上得到，作为连接均相催化和异相催化的桥梁，具有原子利用率高、金属活性中心配位不饱和、与衬底协同作用等一系列特点，尤其在催化领域独树一帜。目前，单原子催化剂在一系列反应，如水煤气转换、加氢、电解水、氧还原等反应中表现出卓越的活性、选择性和稳定性，并且通过设计单原子催化剂可以有效降低金属的负载量，提高原子利用率，节约成本。此外，单原子催化剂中的单原子结构也为粒子物理关于原子模型的研究提供了平台。然而，目前合成单原子催化剂的方法普遍存在负载量过低、稳定性差、工序复杂、合成可控性差等问题，研发便捷、有效的单原子催化剂合成方法在催化领域具有重要意义。电沉积技术以电力为驱动力，将特定原子沉积到衬底表面得到所需结构，是一种传统但简单有效、污染小、组分和结构灵活可调的合成技术。电沉积多用来制备薄膜、超晶格、纳米颗粒、纳米团簇等结构，这些都是通过调节原料物种浓度、沉积电位和沉积时间，从而控制晶体成核、生长过程来实现的，因此理论上在原料物种浓度极低、沉积时间较短的条件下，可以实现纳米晶尺寸的连续可调，这将为单原子结构的制备提供重要思路。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出一种负载型单原子催化剂及其制备方法，所述负载型单原子催化剂基于电沉积构筑单原子结构，通过电沉积方法快速、高效、可控地沉积单原子，且阴阳极沉积均可实现，获得的负载型单原子催化剂在催化和粒子物理领域中的普遍应用也具有重要意义。本专利技术提出的一种负载型单原子催化剂，所述催化剂是由单分散金属原子均匀地负载在纳米衬底材料表面构成。优选地，所述金属原子为钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼、钌、铑、钯、银、铱、铂、金、铟或锡。优选地，所述纳米衬底材料为氢氧化钴二维纳米薄片、氮掺杂多孔碳或硫化钼二维纳米薄片。氢氧化钴二维纳米薄片可采用本领域技术人员公知的一般方法制备得到，例如，一种氢氧化钴二维纳米薄片的制备方法，包括：常温下将摩尔体积比为3-4mmol:9-12mmol:10-13mmol:20-25mL:150-200mL的氯化钴、氯化钠、六亚甲基四胺、乙醇、去离子水混合，搅拌均匀后，在85-95℃下水解1.5-2.5h，冷却至室温后离心分离，离心分离的转速为10000-15000r/min，离心分离的时间为5-10min，将分离所得产物用乙醇超声洗涤1-3min，再重复上述离心分离和洗涤的过程，室温干燥后，得到氢氧化钴二维纳米薄片。氮掺杂多孔碳同样可采用本领域技术人员公知的一般方法制备得到，例如，一种氢氧化钴二维纳米薄片的制备方法，包括：常温下将摩尔体积比为5-6mmol:43-46mmol:150-200mL的硝酸锌、2-甲基咪唑和甲醇混合搅拌20-30h后，离心分离，离心转速为10000-15000r/min，离心分离的时间为5-10min，将分离所得产物用甲醇超声洗涤1-3min，再重复上述离心分离和洗涤的过程，真空干燥过夜，得到ZIF-8粉末；将ZIF-8粉末在氮气氛围下烧结，烧结的温度是800-1000℃，烧结的时间是1.5-2.5h，冷却至室温，得到氮掺杂多孔碳。硫化钼二维纳米薄片也是可采用本领域技术人员公知的一般方法制备得到，例如，一种硫化钼二维纳米薄片的制备方法，包括：常温下将摩尔体积比为6-8mmol:25-30mmol:30-40mL的钼酸铵、硫脲和去离子水混合搅拌均匀，在200-230℃下水热反应15-20h，冷却至室温后离心分离，离心转速为10000-15000r/min，离心分离的时间为5-8min，将分离所得产物用乙醇超声洗涤1-3min，再重复上述离心分离和洗涤的过程，真空干燥过夜，得到硫化钼二维纳米薄片。优选地，所述金属原子与纳米衬底材料的质量比为0.5-3.5:95-105。一种负载型单原子催化剂的制备方法，包括：在包含金属盐的电解质溶液中，采用三电极体系进行电化学沉积，以负载有纳米衬底材料的玻碳电极作为工作电极，石墨棒作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，进行线性伏安扫描，使金属原子单分散、均匀地沉积到纳米衬底材料上，得到所述负载型单原子催化剂。优选地，所述金属盐为三氯化钒、三氯化铬、硫酸锰、三氯化铁、二氯化钴、三氯化镍、二氯化铜、硝酸锌、钼酸铵、三氯化钌、六氯铑酸钠、四氯钯酸钠、硝酸银、四氯化铱、六氯铂酸、四氯金酸、氯化铟或四氯化锡。所述电解质溶液中还包含氢氧化钾，氢氧化钾和去离子水的质量体积比为56-57mg:0.8-1.2mL；氢氧化钾和金属元素的物质的量比为95-105:0.01-0.03。优选地，所述电化学沉积为阴极电化学沉积，阴极电化学沉积的扫描电位相对于可逆氢电极为-0.3-0.1V，扫描速度为4.8-5.2mV/s，扫描次数为8-12次；优选地，所述电化学沉积为阳极电化学沉积，阳极电化学沉积的扫描电位相对于可逆氢电极为1.3-1.8V，扫描速度为4.8-5.2mV/s，扫描次数为8-12次。优选地，进行电化学沉积时，采用磁力搅拌的方式搅拌电解质溶液，搅拌速率为1300-1500r/min。优选地，所述制备方法还包括：线性伏安扫描完成后，取出工作电极，超声后从工作电极上剥离出所述催化剂，用去离子水浸泡后取出，再换新去离子水浸泡，重复上述过程；优选地，浸泡时间为1-2min；更优选地，重复次数为4-5次。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术所述负载型单原子催化剂是将金属原子(钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼、钌、铑、钯、银、铱、铂、金、铟、锡)相互独立、均匀地电沉积到纳米衬底材料(氢氧化钴二维纳米薄片、氮掺杂多孔碳、硫化钼二维纳米薄片)上，得到一类具有单原子结构的催化剂。该负载型单原子催化剂既减小了贵金属用量，又提高了原子利用率，又可根据应用需求通过与衬底的相互作用调控单原子的电子结构，这种简单可控地合成负载型单原子催化剂的方法在催化和粒子物理领域具有重要意义。附图说明图1为本专利技术实施例1-7中阴极沉积所得表面负载有(A)铱、(B)钌、(C)铑、(D)钯、(E)银、(F)金、(G)铂单原子的氢氧化钴二维纳米薄片的扫描透射电子显微镜高角环形暗场像；图2为本专利技术实施例1-5、8-9中阳极沉积所得表面负载有(A)铱、(B)钌、(C)铑、(D)钯、(E)银、(F)铟、(G)锡单原子的氢氧化钴二维纳米薄片的扫描透射电子显微镜高角环形暗场像；图3为本专利技术实施例10-16中阴极沉积所得表面负载有(A)铱、(B)钌、(C)钼、(D)钴、(E)镍、(F)铁、(G)锌单原子的氮掺杂多孔碳负载的扫描透射电子显微镜高角环形暗场像；图4为本专利技术实施例10-11、17-21中阳极沉积所得表面负载有(A)铱、(B)钌、(C)钒、(D)铬、(E)锰、(F)钴、(G)铜单原子的氮掺杂多孔碳负载的扫描透射电子显微镜高角环形暗场像；图5为本专利技术实施例22中阴极沉积所得表面负载有金属铂单原子的硫化钼二维纳米薄片负载的扫描透射电子显微镜高角环形暗场像。具体实施方式实施例1一种负载型单原子催化剂的制备方法，所述催化剂是由单分散铱原子均匀地负载在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负载型单原子催化剂，其特征在于，所述催化剂是由单分散金属原子均匀地负载在纳米衬底材料表面构成。

【技术特征摘要】
1.一种负载型单原子催化剂，其特征在于，所述催化剂是由单分散金属原子均匀地负载在纳米衬底材料表面构成。2.根据权利要求1所述负载型单原子催化剂，其特征在于，所述金属原子为钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼、钌、铑、钯、银、铱、铂、金、铟或锡。3.根据权利要求1或2所述负载型单原子催化剂，其特征在于，所述纳米衬底材料为氢氧化钴二维纳米薄片、氮掺杂多孔碳或硫化钼二维纳米薄片。4.根据权利要求1-3任一项所述负载型单原子催化剂，其特征在于，所述金属原子与纳米衬底材料的质量比为0.5-3.5:95-105。5.一种根据权利要求1-4任一项所述负载型单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括：在包含金属盐的电解质溶液中，采用三电极体系进行电化学沉积，以负载有纳米衬底材料的玻碳电极作为工作电极，石墨棒作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，进行线性伏安扫描，使金属原子单分散、均匀地沉积到纳米衬底材料上，得到所述负载型单原子催化剂。6.根据权利要求5所述负载型单原子催化剂的制备方法，其特征在于，所述金属盐为三氯化钒、三氯化铬、硫酸锰、三氯化铁、二氯化钴、三氯化镍、二氯化铜、硝酸锌、钼酸铵、三氯化钌、六氯铑酸钠、四氯钯酸钠、硝酸银、四氯化铱、六氯铂酸、四氯金酸、氯化铟或四氯...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志荣，冯晨，刘春晓，周仕明，曾杰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34