本发明专利技术公开了一种单原子过渡金属催化剂及其制备方法和应用，所述单原子过渡金属催化剂包括载体和以单原子形式在载体表面上呈现高度分散的过渡金属。本发明专利技术制得的催化剂中过渡金属分散度可达到单原子分散水平，且过渡金属与载体间具有强相互作用，因此能够显著提升催化剂对CO的催化氧化活性。相比于未负载过渡金属的二氧化锰催化剂载体，本发明专利技术制得的单原子过渡金属催化剂对于不同浓度的CO的净化能力显著提高。且本发明专利技术制备方法具有制备过程快速、简单、成本低等优点，并实现了过渡金属在载体表面高度分散的同时保证催化剂对于CO具有高效的催化氧化净化能力。高效的催化氧化净化能力。高效的催化氧化净化能力。
【技术实现步骤摘要】
一种单原子过渡金属催化剂及其制备方法和应用
[0001]本专利技术属于催化剂制备
，具体涉及一种单原子过渡金属催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
[0002]大气污染物有多种，其中CO作为一次污染物，是由排放源直接排放的污染物，同时也是造成雾霾、臭氧污染的前体物质。目前，CO的排放源主要有工业排放、道路交通、生物质燃烧等。CO是常规监测污染物，对人身体健康有很大的影响，高浓度可以致死。目前CO末端控制技术分为物理法和化学法。物理法为非破坏性的方法，可以将收集到的污染物进行回收。目前，污染物回收的方法主要有吸附法、冷凝法、膜分离法。化学法为破坏性的方法，是将气态污染物氧化分解为无毒物质或低毒物质，其主要方法包括生物降解法、焚烧法、热催化氧化法、光催化氧化法、等离子体氧化法等。其中，催化氧化法是利用催化剂将CO催化氧化为CO2。
[0003]过渡金属氧化物催化剂具有廉价易得的优点，然而其催化活性不如贵金属催化剂，且反应温度偏高。为了克服上述技术缺陷，有研究者提出研究单原子的金属催化剂，通过降低金属催化剂的颗粒尺寸，提高金属的分散度，从而在保证金属活性位暴露总量不变的前提下降低贵金属的使用量，其理想条件下是达到单原子分散时金属的分散度最高。单原子过渡金属催化剂既能最大限度地提高活性位点的比例，又能提高它们对特定反应路径的选择性。
[0004]目前报道的关于单原子过渡金属催化剂的制备方法主要有共沉淀法、模板法等。但是上述制备方法过程较为复杂，不利于单原子过渡金属催化剂的大量生产。此外，现有制备方法中贵金属由于容易团聚而导致其在载体上的负载量偏低，因此制得的催化剂的催化性能不佳，不利于其应用发展。
技术实现思路
[0005]为了克服上述技术问题，本专利技术提供一种单原子过渡金属催化剂及其制备方法和应用，本专利技术单原子过渡金属催化剂的制备方法简单，不仅实现了过渡金属以单原子形式在载体表面上呈现高度分散，同时能够显著提高催化剂对CO的催化氧化活性。
[0006]本专利技术是通过如下技术方案实现所述技术效果的：
[0007]本专利技术的第一个目的在于提供一种单原子过渡金属催化剂，所述单原子过渡金属催化剂包括以单原子形式在载体表面上呈现高度分散的过渡金属，所述载体为二氧化锰。
[0008]优选地，所述单原子过渡金属催化剂中过渡金属含量小于15wt％；优选小于5wt％；例如为1-5wt％。
[0009]本专利技术还提供一种单原子过渡金属催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0010]1)将二氧化锰载体和过渡金属前驱体混合，得到悬浮液；
[0011]2)将过氧化氢水溶液与步骤1)的悬浮液混合，反应；
[0012]3)对步骤2)的反应产物进行焙烧，制备得到所述的高度分散的过渡金属催化剂。
[0013]优选地，步骤1)具体包括如下步骤：
[0014]1’
)将二氧化锰载体超声分散于去离子水中，加入过渡金属前驱体，搅拌，制备得到含有二氧化锰载体和过渡金属前驱体的悬浮液。
[0015]优选地，步骤1
’
)中，所述超声分散的时间为30min-2h；所述超声分散的温度为室温。
[0016]优选地，步骤1)和步骤1
’
)中，所述过渡金属前驱体以过渡金属前驱体水溶液的形式加入；所述过渡金属前驱体水溶液中过渡金属前驱体的浓度为0.001-0.1g/mL；例如为0.01、0.02、0.03、0.04或0.05g/mL。
[0017]优选地，步骤1
’
)中，所述搅拌的时间为30min-2h；所述搅拌的温度为室温。
[0018]优选地，步骤1)和步骤1
’
)中，所述悬浮液中二氧化锰载体的浓度为0.001-0.5g/mL，优选为0.01-0.05g/mL；例如为0.01、0.02、0.03、0.04或0.05g/mL；
[0019]优选地，步骤1)和步骤1
’
)中，所述悬浮液中过渡金属前驱体的浓度为0.001-0.5g/mL，优选为0.01-0.05g/mL；例如为0.01、0.02、0.03、0.04或0.05g/mL。
[0020]优选地，步骤1)和步骤1
’
)中，所述悬浮液中过渡金属前驱体和二氧化锰载体的质量没有限定，其满足制备得到的单原子过渡金属催化剂中过渡金属的含量小于15wt％；优选小于10wt％；例如为1-5wt％。
[0021]优选地，所述二氧化锰载体为二氧化锰棒状载体，例如为二氧化锰纳米棒。
[0022]优选地，所述二氧化锰纳米棒为α型晶体结构，具有4
×
4+2
×
2的Mn-O八面体堆积型孔道，其比表面积为30-80m2/g，平均孔径为3-30nm。例如其比表面积为57.0m2/g，平均孔径为4.0nm。
[0023]优选地，所述过渡金属前驱体选自Cu(NO3)2·
3H2O、Fe(NO3)3·
9H2O、Ni(NO3)2·
6H2O、SnCl2·
2H2O、CoCl2·
6H2O、Co(NO3)2·
3H2O、ZnCl2或Zn(NO3)2·
3H2O中的至少一种。
[0024]本领域技术人员知晓的，选用不同的过渡金属前驱体可以制备得到不同的过渡金属催化剂；所述过渡金属催化剂中的过渡金属可以为单一过渡金属，也可以为两种以上的过渡金属。作为优选，合成过渡金属铜催化剂时选择Cu(NO3)2作为过渡金属前驱体。合成过渡金属铁催化剂时选择Fe(NO3)3为过渡金属前驱体。合成过渡金属镍催化剂时选择Ni(NO3)2作为过渡金属前驱体。合成过渡金属锡催化剂时选择SnCl2作为过渡金属前驱体。合成过渡金属钴催化剂时选择CoCl2和/或Co(NO3)2作为过渡金属前驱体。合成过渡金属锌催化剂时选择ZnCl2和/或Zn(NO3)2作为过渡金属前驱体。本领域技术人员知晓的，若要制备含有两种以上过渡金属的催化剂时，选择对应的过渡金属前驱体即可；在此不再累述。
[0025]优选地，步骤2)具体包括如下步骤：
[0026]2’
)将过氧化氢水溶液加入步骤1)的悬浮液中，反应；
[0027]2”)将反应后的产物进行过滤、洗涤和干燥处理。
[0028]优选地，步骤2
’
)中，所述过氧化氢水溶液的浓度为0.15-3wt.％。
[0029]本领域技术人员知晓的，所述过氧化氢水溶液可以选用浓度更高的过氧化氢溶液为原料，稀释后获得需要的浓度；例如可以选用浓度为30wt.％的过氧化氢溶液，经去离子水稀释10-200倍后获得上述浓度范围的过氧化氢水溶液；这主要是因为可以避免反应剧烈的进行。
[0030]优选地，步骤2)和步骤2
’
)中，所述过氧化氢和二氧化锰载体的摩尔比为1:(1-8)；例如为1:1.4。
[0031]优选地，步骤2)和步骤2
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种单原子过渡金属催化剂，其特征在于，所述单原子过渡金属催化剂包括以单原子形式在载体表面上呈现高度分散的过渡金属，所述载体为二氧化锰。2.根据权利要求1所述的一种单原子过渡金属催化剂，其特征在于，所述单原子过渡金属催化剂中过渡金属含量小于15wt％；优选小于5wt％；例如为1-5wt％。3.一种单原子过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将二氧化锰载体和过渡金属前驱体混合，得到悬浮液；2)将过氧化氢水溶液与步骤1)的悬浮液混合，反应；3)对步骤2)的反应产物进行焙烧，制备得到所述的高度分散的过渡金属催化剂。4.根据权利要求3所述的一种单原子过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)具体包括如下步骤：1
’
)将二氧化锰载体超声分散于去离子水中，加入过渡金属前驱体，搅拌，制备得到含有二氧化锰载体和过渡金属前驱体的悬浮液；优选地，步骤1
’
)中，所述超声分散的时间为30min-2h；所述超声分散的温度为室温；优选地，步骤1)和步骤1
’
)中，所述过渡金属前驱体以过渡金属前驱体水溶液的形式加入；所述过渡金属前驱体水溶液中过渡金属前驱体的浓度为0.001-0.1g/mL；例如为0.01、0.02、0.03、0.04或0.05g/mL。5.根据权利要求4所述的一种单原子过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1
’
)中，所述搅拌的时间为30min-2h；所述搅拌的温度为室温。6.根据权利要求4所述的一种单原子过渡金属催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤1
’
)中，所述悬浮液中二氧化锰载体的浓度为0.001-0.5g/mL，优选为0.01-0.05g/mL；例如为0.01、0.02、0.03、0.04或0.05g/mL；优选地，步骤1)和步骤1
’
)中，所述悬浮液中过渡金属前驱体的浓度为0.001-0.5g/mL，优选为0.01-0.05g/mL；例如为0.01、0.02、0.03、0.04或0.05g/mL；优选地，步骤1)和步骤1
’
)中，所述悬浮液中过渡金属前驱体和二氧化锰载体的...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾宏鹏，姜明珠，
申请(专利权)人：中国科学院城市环境研究所，
类型：发明
国别省市：
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