一种单原子催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种单原子催化剂及其制备方法，属于材料制备技术领域。单原子催化剂是由单原子材料均匀负载在类石墨烯碳材料中形成的。单原子催化剂的制备方法包括：金属前体的制备：将碳模板前驱体和金属前驱体溶解于酸性溶液中，得到第一混合溶液；将第一混合溶液通过减压蒸馏的方式蒸干后于马弗炉中焙烧，得到金属前体；单原子催化剂的制备：将金属前体和碳包覆前驱体溶解于缓冲溶液中，得到第二混合溶液；将第二混合溶液进行抽滤并烘干后于管式炉中焙烧，得到单原子催化剂。由此能够获得催化性能优异的单原子催化剂，从而实现从非贵金属到贵金属单原子催化剂的可控制备，提高了单原子催化剂制备方法的普适性。单原子催化剂制备方法的普适性。单原子催化剂制备方法的普适性。

【技术实现步骤摘要】
一种单原子催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料制备
，尤其涉及一种单原子催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]由于单原子催化剂材料具有极大的原子利用率、均匀且可控的金属活性位点，以及独特的金属载体间相互作用等优点，因此展现出明显优异于传统催化剂的性能。
[0003]2011年张涛院士团队首次报道了单原子催化剂，自此单原子催化剂在催化领域引起了巨大的研究兴趣。单原子催化剂作为异相催化剂，不仅可以实现催化剂的分离和回收，而且由于其充分暴露的原子相界面，原子利用率极大地得到了提高，因此单原子催化剂的催化活性远超纳米颗粒催化剂，几乎与均相催化剂相当。
[0004]然而，由于单个原子的表面自由能较高，因此一旦合成过程中某一个过程没有控制好，就会发生原子团聚，形成纳米颗粒，进而影响催化活性。另外，由于非贵金属和贵金属在本征属性上具有巨大的差异，现有技术很少有单一方法能够实现从非贵金属到贵金属单原子催化剂的普适性制备。因此急需提供一种具有普适性的制备方法，以实现单原子催化剂的制备。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术实施例提供一种单原子催化剂及其制备方法，能够获得催化性能优异的单原子催化剂，从而实现从非贵金属到贵金属单原子催化剂的可控制备，提高了单原子催化剂制备方法的普适性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术实施例第一方面提供一种单原子催化剂，所述单原子催化剂是由单原子材料均匀负载在类石墨烯碳材料中形成的。
[0007]进一步，所述单原子材料为贵金属或者非贵金属。
[0008]为实现上述目的，本专利技术实施例第二方面提供了由本专利技术实施例在第一方面所述单原子催化剂的制备方法，所述制备方法包括：金属前体的制备：将碳模板前驱体和金属前驱体溶解于酸性溶液中，得到第一混合溶液；将所述第一混合溶液通过减压蒸馏的方式蒸干后于马弗炉中焙烧，得到金属前体；单原子催化剂的制备：将所述金属前体和碳包覆前驱体溶解于缓冲溶液中，得到第二混合溶液；将所述第二混合溶液进行抽滤并烘干后于管式炉中焙烧，得到单原子催化剂。
[0009]进一步，所述碳模板前驱体为三聚氰胺、二氰二胺、尿素中的一种或多种。
[0010]进一步，所述金属前驱体为氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜、氯化铬、氯化锰、氯化锰、氯化钯、氯化钌、氯化铱、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮镍、乙酰丙酮锰、乙酰丙酮铬、乙酰丙酮铂、乙酰丙酮钌、乙酰丙酮钯中的任意一种。
[0011]进一步，所述碳包覆前驱体为多巴胺、盐酸多巴胺、葡萄糖、蔗糖，以及聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
[0012]进一步，所述酸性溶液选自盐酸溶液、硫酸溶液和硝酸溶液中的任意一种。
[0013]进一步，所述缓冲溶液选自三羟甲基氨基甲烷、氨
‑
氯化铵缓冲溶液、pH标准缓冲溶液，以及磷酸缓冲溶液中的任意一种。
[0014]进一步，所述马弗炉中焙烧的烧结参数如下：焙烧温度为500
‑
560℃，焙烧时间为30
‑
240min，达到焙烧温度所用的升温速率为5
‑
10℃/min。
[0015]进一步，在单原子催化剂的制备中，所述烘干的参数如下：于真空条件下进行烘干，烘干温度为50
‑
70℃，烘干时间为18
‑
26h；所述管式炉中焙烧的烧结参数如下：氮气或氩气保护条件下进行焙烧，焙烧温度为800
‑
1100℃，焙烧时间为30
‑
240min，达到焙烧温度所用的升温速率为1
‑
10℃/min。
[0016]为实现上述目的，本专利技术实施例第三方面提供了由本专利技术实施例在第一方面所述单原子催化剂的应用，所述单原子催化剂应用于高效电催化、有机催化或者生物诊疗。
[0017]本专利技术实施例与现有技术相比至少具有如下有益效果：
[0018]1、通过本实施例制备方法制备得到的单原子催化剂，由于金属单原子能够均匀分散在载体上，因此获得的单原子催化剂不仅具有优异的氧还原催化活性，而且具有良好的稳定性。
[0019]2、采用本实施例制备方法制备的单原子催化剂，不仅制备工艺简单，操作方便，而且实现了从非贵金属到贵金属单原子催化剂的可控性制备，提高了单原子催化剂制备方法的普适性。
附图说明
[0020]图1是本专利技术实施例1制得的铁单原子催化剂的球差电镜图；
[0021]图2是本专利技术实施例1制得的铁单原子催化剂的X射线衍射图；
[0022]图3是本专利技术实施例1制得的铁单原子催化剂和20％Pt/C催化剂的氧还原极化曲线；
[0023]图4是本专利技术实施例3制得的铂单原子催化剂的球差电镜图；
[0024]图5是本专利技术实施例3制得的铂单原子催化剂的X射线衍射图。
具体实施方式
[0025]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]本专利技术实施例在第一方面提供一种单原子催化剂，所述单原子催化剂是由单原子材料均匀负载在类石墨烯碳材料中形成的。由此单原子材料能够均匀分散在类石墨烯碳材料载体上，从而提高了单原子催化剂的稳定性，使单原子催化剂具有优异的氧还原催化活性。
[0027]在进一步的实施例中，所述单原子材料为贵金属；或者所述单原子材料为非贵金属；或者所述单原子材料为贵金属和非贵金属的组合；在更进一步的实施例中，所述非贵金属为铁单原子、铝单原子、铜单原子等中的一种或多种；所述贵金属为钯单原子、铂单原子等中的一种或多种。
[0028]在进一步的实施例中，所述单原子催化剂可应用于高效电催化、有机催化或者生物诊疗等方面。
[0029]本专利技术实施例在第二方面提供一种单原子催化剂的制备方法，所述制备方法包括：金属前体的制备：将碳模板前驱体和金属前驱体溶解于酸性溶液中，得到第一混合溶液；将所述第一混合溶液通过减压蒸馏的方式蒸干后于马弗炉中焙烧，得到金属前体；单原子催化剂的制备：将所述金属前体和碳包覆前驱体溶解于缓冲溶液中，得到第二混合溶液；将所述第二混合溶液进行抽滤并烘干后于管式炉中焙烧，得到单原子催化剂。
[0030]本实施例的金属前驱体以单个原子的形式锚定在碳模板前驱体中形成金属前体。之后采用碳包覆前驱体包覆金属前体，并将包覆的金属前体于管式炉中进行焙烧。由于金属前体本身不稳定，通常在600
‑
750℃的时候就会分解挥发，因此当将包覆的金属前体于管式炉中加热时，较慢的升温速率能够控制金属前体的分解速度，从而使得锚定在碳模板前驱体中的金属原子将点对点的转移到碳包覆前驱体上；最后随着焙烧温度的升高，碳包覆前驱体也进一步碳化，最终形成类石墨烯碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子催化剂，其特征在于，所述单原子催化剂是由单原子材料均匀负载在类石墨烯碳材料中形成的。2.根据权利要求1所述的单原子催化剂，其特征在于，所述单原子材料为贵金属或非贵金属。3.一种单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括：金属前体的制备：将碳模板前驱体和金属前驱体溶解于酸性溶液中，得到第一混合溶液；将所述第一混合溶液通过减压蒸馏的方式蒸干后于马弗炉中焙烧，得到金属前体；单原子催化剂的制备：将所述金属前体和碳包覆前驱体溶解于缓冲溶液中，得到第二混合溶液；将所述第二混合溶液进行抽滤并烘干后于管式炉中焙烧，得到单原子催化剂。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述碳模板前驱体为三聚氰胺、二氰二胺，以及尿素中的一种或多种。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述金属前驱体为氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜、氯化铬、氯化锰、氯化锰、氯化钯、氯化钌、氯化铱、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮镍、乙酰丙酮锰、乙酰丙酮铬、乙酰丙酮铂、乙酰丙酮钌，以及乙酰丙酮钯中的任意一种。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述碳包覆前驱体为多巴胺、盐酸多巴胺、葡萄糖、蔗糖，以及聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述酸性溶液选自盐酸溶液、硫酸溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：田新龙，饶鹏，邓培林，沈义俊，
申请(专利权)人：海南深远海新能源科技有限公司海南大学三亚研究院，
类型：发明
国别省市：