一种高负载量单原子催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种高负载量单原子催化剂及其制备方法与应用。本发明专利技术提供的单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1、在溶剂存在下，三聚氰胺、三聚氰酸、L

【技术实现步骤摘要】
一种高负载量单原子催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于催化剂制备
，具体涉及一种高负载量单原子催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]单原子催化架起了均相催化和异相催化的桥梁，成为了目前催化领域的研究热点之一。与传统催化剂相比，单原子催化剂表现出显著的优势，比如原子利用率理论上可以达到100％；不饱和金属位点表现出更好的活性；结构明确的活性位点更容易揭示催化过程；高活性和选择性等，使其在工业化应用上具有巨大的前景。
[0003]然而单原子催化剂的合成挑战在于载体无法有效稳定单原子，因为由于随着粒子径的减少，表面自由能急剧增加，金属原子倾向于聚集成较大的粒子，并且随着负载量的升高，单分散的原子越不容易形成。因此当前的很多单原子催化剂，其金属负载量都比较低，一般负载量都低1wt％，这大大限制了单原子催化剂在工业上的进一步应用。
[0004]值得注意的是，一些新兴的合成策略已经被提出来获得这样一类独特高的负载量单原子催化剂，如在富含O缺陷的NiO载体上，Gu Meng等人合成了18wt％的Ir单原子；胡劲松课题组通过在巨大比表面积的碳载体上吸附金属前驱体，获得了高达12.1wt％的Co单原子；李亚栋课题组通过聚合物热解的方式，合成了超高30wt％负载量的Fe单原子。实验结果表明，合成的这些高负载量单原子催化剂在电催化等领域表现出优秀的性能。
[0005]然而，上述合成策略均具有自身的局限性，例如仅适用于某种特定的单原子催化剂的合成，普适性较差，或制备步骤繁琐，效率低，成本高。因此，发展具有普适性、低成本的合成高负载量单原子催化剂的策略是目前的一种挑战。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种高负载量单原子催化剂及其制备方法与应用。所得单原子催化剂具有独特的配位结构，其最高负载量可达35wt％；而且所述单原子催化剂的制备方法具有普适性好，适用于多种过渡金属，且成本低，效率高，操作简单，无需酸刻蚀，重现性好，负载量可控，更有利于规模化生产。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0009]S1、在溶剂存在下，三聚氰胺、三聚氰酸、L
‑
丙氨酸和植酸进行缩聚反应，得到二维层状的载体，记为2D
‑
polymer；
[0010]S2、将含有金属盐的前驱体加入所述2D
‑
polymer中搅拌，得到含有金属的聚合物，记为M@2D
‑
polymer；
[0011]S3、将所述M@2D
‑
polyme进行冷冻干燥，得到M@2D
‑
polyme粉末；
[0012]S4、将所述M@2D
‑
polyme粉末进行高温处理，得到所述单原子催化剂。
[0013]步骤S1中，所述溶剂选自去离子水、乙醇和丙酮中的至少一种。
[0014]步骤S1中，所述三聚氰胺、所述三聚氰酸、所述L
‑
丙氨酸与所述植酸的质量体积比为：1g：(0.5
‑
4)g：(0.5
‑
4)g：(100
‑
500)μL；优选为1g：(1
‑
2)g：(1
‑
2)g：(200
‑
400)μL。
[0015]步骤S1中，所述缩聚反应的条件为：温度为20
‑
150℃，优选为60
‑
100℃，时间为1
‑
1.5h，优选为1h。
[0016]步骤S1中，当所述单原子为Fe、Co、Ni、Cu或Zn，所述溶剂为去离子水；当所述单原子为Ru或Ir，所述溶剂为乙醇。
[0017]步骤S2中，所述金属盐选自对应所述金属元素的硝酸盐、盐酸盐中的至少一种。
[0018]步骤S2中，所述含有金属盐的前驱体与所述三聚氰胺的质量比为(0.001
‑
0.5)：1；优选为(0.02
‑
0.25)：1。
[0019]步骤S2中，所述搅拌使得反应体系呈泥状。
[0020]步骤S3中，所述冷冻干燥的条件为：真空条件下，温度为
‑5‑‑
20℃，优选为
‑
10
‑‑
15℃，时间1
‑
22h，优选为20
‑
22h。
[0021]步骤S4中，所述高温热解的条件为：在惰性气体气氛下，温度为500
‑
800℃，优选为700
‑
800℃，升温速率为2
‑
10℃1min，优选为2
‑
3℃1min，时间为1
‑
3h，优选为1
‑
2h。
[0022]本专利技术还提供所述制备方法得到的单原子催化剂。
[0023]所述的单原子催化剂，包括如下组成：二维层状载体及负载于所述二维层状载体的单原子；
[0024]所述二维层状载体为氮氧掺杂的碳材料。
[0025]所述单原子为过渡金属元素，优选为Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru和Ir中的至少一种。
[0026]所述单原子催化剂的结构为M
‑
N3O1配位，M为单原子。
[0027]所述单原子的负载量为0.1％
‑
35％。
[0028]所述二维层状载体的孔径为0.1
‑
100nm，比表面积为100
‑
1000m21g。
[0029]本专利技术还提供所述单原子催化剂在氧化反应、电催化、光电催化和加氢催化领域应用中的应用。
[0030]本专利技术的有益效果如下：
[0031]1、本专利技术提供的一系列单原子催化剂，具有独特的配位结构，其二维层状载体具有较高的负载量，最高可达35wt％，因而用于均相催化和异相催化反应时可展现出优异的催化性能。
[0032]2、本专利技术提供的铜单原子催化剂还具有良好的循环稳定性。
[0033]3、本专利技术提供的制备方法能够快速大批量制备出高负载量的单原子，适用于一系列过渡金属元素，具有更好的普适性。
[0034]4、本专利技术提供的制备方法使用的前驱体价格便宜易得，成本低廉，且制备过程简单，高效，可实现一定的规模化生产。
附图说明
[0035]图1为本专利技术实施例1制备的铜单原子催化剂的球差校正高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF
‑
STEM)照片。
[0036]图2为本专利技术实施例1制备的铜单原子催化剂的面扫分布图。
[0037]图3为本专利技术实施例1制备的铜单原子催化剂的Cu的K边EXAFS傅里叶变换谱图。
[0038]图4为本专利技术实施例1制备的高载量铜单原子催化剂在双氧水氧化苯反应中的催化性能。
[0039]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：S1、在溶剂存在下，三聚氰胺、三聚氰酸、L
‑
丙氨酸和植酸进行缩聚反应，得到二维层状的载体，记为2D
‑
polymer；S2、将含有金属盐的前驱体加入所述2D
‑
polymer中搅拌，得到含有金属的聚合物，记为M@2D
‑
polymer；S3、将所述M@2D
‑
polyme进行冷冻干燥，得到M@2D
‑
polyme粉末；S4、将所述M@2D
‑
polyme粉末进行高温处理，得到所述单原子催化剂。2.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述溶剂选自去离子水、乙醇和丙酮中的至少一种；所述三聚氰胺、所述三聚氰酸、所述L
‑
丙氨酸与所述植酸的质量体积比为：1g：(0.5
‑
4)g：(0.5
‑
4)g：(100
‑
500)μL；所述缩聚反应的条件为：温度为20
‑
150℃，时间为1
‑
1.5h。3.根据权利要求1或2所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中，当所述单原子为Fe、Co、Ni、Cu或Zn，所述溶剂为去离子水；当所述单原子为Ru或Ir，所述溶剂为乙醇。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述金属盐选自对应所述金属元素的硝酸盐、盐酸盐中的至少一种；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋卫国，晋红强，曹昌燕，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：