一种单原子催化剂合成方法及其催化剂技术

本发明专利技术属于纳米催化剂的技术领域，公开了一种合成单原子催化剂的方法及单原子催化剂，通过合成催化剂载体，加入过量金属源将金属负载于载体上，再加入刻蚀剂选择性去除金属团簇得到单原子催化剂。本发明专利技术方法简单，通过在载体锚定位点选择性去除多余的金属粒子，保留单个金属原子，合成单原子催化剂，提高了催化剂的活性，同时可以使刻蚀后的贵金属回收利用，节约了原料。节约了原料。节约了原料。

【技术实现步骤摘要】
一种单原子催化剂合成方法及其催化剂


[0001]本专利技术属于纳米催化剂的
，具体涉及一种合成单原子催化剂的方法及单原子催化剂。

技术介绍

[0002]近年来以单个金属原子作为活性中心的催化剂受到了越来越多的研究关注。原子催化剂(SAC)具有100% 的金属分散性，提供了最大的原子效率，为制备高性价比的催化剂提供了一种更理想的策略，特别是以稀土金属例如铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)、铱(Ir)等为基础的催化剂。
[0003]近十年来，提出了几种分散催化剂载体上金属位点的方法，其中包括降低金属元素的负载量，提高金属载体间的相互作用以及在载体上利用空位或空位缺陷等。例如，沸石提供有效的空隙，以锚定单个金属原子，并防止它们在催化过程中烧结。在可还原的氧化物(如TiO2、CeO2)或 C3N4上制造缺陷也可以帮助稳定支撑物上原子分散的金属原子。本质上，这些方法专注于为单原子的负载创建更多的锚定位置。
[0004]另一方面，由于SAC的锚定位点多被金属团簇填满，使得光催化剂的整体效率受到限制，所以对于SAC来说，大量锚定位点很难得到充分利用。这一点仍然是最大的挑战，在实际应用中负载高浓度的SAC，同时在催化条件下保持金属中心作为独立位点，仍然是目前最大的挑战。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种合成单原子催化剂的方法及单原子催化剂。
[0006]本专利技术目的通过以下方法实现：一种合成单原子催化剂的方法，包括以下步骤：步骤1：合成催化剂载体B；步骤2：用步骤1制得的催化剂载体B，与金属源反应，使金属源中的金属M负载于催化剂载体B，形成M
h
/B；步骤3：在步骤2制得的M
h
/B加入刻蚀剂，刻蚀剂选择性地切断金属键，保留金属与载体间的化学键，将M
h
/B选择性刻蚀形成M1/B。
[0007]进一步的，所述步骤1中的催化剂载体B为氮化碳聚合物PCN或TiO2，金属源为含氯的金属盐或酸，或者为金属配合物。
[0008]进一步的，当所述步骤1中的催化剂载体B为氮化碳聚合物PCN，所述步骤1的具体过程为：步骤1.1：选取双氰胺于敞口容器中平铺开来，加热反应，恒速降温得到块状C3N4，步骤1.2：将块状C3N4精细研磨，得到粉末状C3N4，步骤1.3：将粉末状C3N4于敞口容器中平铺开来，加热反应，再急剧降温，得到氮化
碳聚合物PCN。
[0009]进一步的，所述双氰胺加热的反应温度为500
‑
600℃，加热反应时间为3.5
‑
4.5h，升温速率控制在2.2
‑
2.4℃ min
‑1，降温速率控制在0.9
‑
1.1℃ min
‑1，所述粉末状C3N4加热的反应温度为440
‑
460℃，反应时间为3.5
‑
4.5h，升温速率控制在1.8
‑
2.2℃ min
‑1。
[0010]进一步的，所述步骤3采用浸渍法将金属负载在氮化碳聚合物PCN上，具体为：步骤2.1：金属氯化盐与NaCl溶解混合均匀，得到金属氯化盐溶液，步骤2.2：将步骤2.1得到的金属氯化盐溶液与氮化碳聚合物PCN缓和加热反应，再旋转蒸发，获得干燥固体，步骤2.3：将干燥固体再次溶解，采用光沉积法，使得金属尽可能与载体结合，得到M
h
/PCN。
[0011]进一步的，所述金属氯化盐和NaCl的质量比范围在（4.5
‑
5）:1，金属氯化盐和氮化碳聚合物PCN的质量比范围在（1.8
‑
2.2）:1，反应温度控制在75
‑
85℃，反应时间为14
‑
16h，所述光沉积法在真空状态下以可见光进行照射。
[0012]进一步的，所述步骤3所加入的刻蚀剂是FeCl3和KBr的混合溶液。
[0013]进一步的，所述FeCl3和KBr的质量比范围为3:（1
‑
1.5），所述KBr与M
h
/PCN的质量比为（60
‑
62）:1，反应温度为95
‑
99℃，在酸性条件下进行。
[0014]所述单原子催化剂通过上述方法制备得到。所述单原子催化剂为铂Pt、钯Pd、金Au、铱Ir中一种以上活性位点的单原子催化剂。
[0015]本专利技术的有益效果是：方法简单，通过过量金属源进行负载反应，使得尽可能多的金属原子与载体结合，再在载体锚定位点选择性去除多余的金属粒子，保留单个金属原子，合成单原子催化剂，提高了催化剂的活性，同时可以使刻蚀后的贵金属回收利用，节约了原料。
附图说明
[0016]图1是本专利技术的实施例制备的载体、催化剂、单原子催化剂、对比例催化剂的透射电子显微镜TEM照片以及单原子催化剂的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜HAADF
‑
STEM照片，其中，图1（a）是PCN的TEM照片，图1（b）是Pd
h
/PCN的TEM照片，图1（c）是Pd1/PCN的TEM照片,图1（d,e）是Pd1/PCN的HAADF
‑
STEM照片,图1（f）是Pd
p
/PCN的TEM照片；图2是本专利技术的实施例合成的块状氮化碳和PCN的氮气吸附等温线和孔径分布曲线，其中，图2（a）是块状氮化碳的氮气吸附等温线和孔径分布图,图2（b）是PCN的氮气吸附等温线和孔径分布图；图3是本专利技术的实施例合成的材料的关键特征，其中，图3（a）是PCN,Pd
h
/PCN,Pd1/PCN 和Pd
p
/PCN的XRD图,
图3（b）是 Pd1/PCN样品和Pd箔的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构光谱FT
‑
EXAFS,图3（c）是Pd
h
/PCN,Pd1/PCN和Pd
p
/PCN的XPS图,图3（d）是Pd1/PCN样品和Pd箔的X射线吸收近边结构图XANES；图4是本专利技术的实施例合成的催化剂刻蚀过程中的负载量的变化曲线；图5是本专利技术的实施例合成的不同材料和不同条件下二氧化碳还原的光催化产物的产率。
具体实施方式
[0017]下面结合实施例对本专利技术作进一步的详细描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0018]实施例：将双氰胺置于550℃空气中加热4h（升温速率2.3℃ min
‑1）,然后将降温速率控制在1℃ min
‑1左右，生成黄色块状C3N4，将块状C3N4进行精细研磨，使其形成细碎粉末，并于敞口容器中平铺开来，放于450℃反应4h（升温速率控制在2℃ min
‑1），然后急剧降温，得到PCN；将2g NaCl 和0.4g PdCl2分别溶于20ml H2O中，在超声波作用下混合，搅拌2h使PdCl2完全溶解，然后在超声条件下加入0.2g PCN，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种合成单原子催化剂的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：合成催化剂载体B；步骤2：用步骤1制得的催化剂载体B，与金属源反应，使金属源中的金属M负载于催化剂载体B，形成M
h
/B；步骤3：在步骤2制得的M
h
/B加入刻蚀剂，刻蚀剂选择性地切断金属键，保留金属与载体间的化学键，将M
h
/B选择性刻蚀形成M1/B。2.根据权利要求1所述的合成单原子催化剂的方法，其特征在于：所述步骤1中的催化剂载体B为氮化碳聚合物PCN或TiO2，金属源为含氯的金属盐或酸，或者为金属配合物。3.根据权利要求2所述的合成单原子催化剂的方法，其特征在于：当所述步骤1中的催化剂载体B为氮化碳聚合物PCN，所述步骤1的具体过程为：步骤1.1：选取双氰胺于敞口容器中平铺开来，加热反应，恒速降温得到块状C3N4，步骤1.2：将块状C3N4精细研磨，得到粉末状C3N4，步骤1.3：将粉末状C3N4于敞口容器中平铺开来，加热反应，再急剧降温，得到氮化碳聚合物PCN。4.根据权利要求3所述的合成单原子催化剂的方法，其特征在于：所述双氰胺加热的反应温度为500
‑
600℃，加热反应时间为3.5
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4.5h，升温速率控制在2.2
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2.4℃ min
‑1，降温速率控制在0.9
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1.1℃ min
‑1，所述粉末状C3N4加热的反应温度为440
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460℃，反应时间为3.5
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4.5h，升温速率控制在1.8
‑
2.2℃ min

【专利技术属性】
技术研发人员：李盎，阚二军，刘煊，王童宇，杜正卫，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：