一种高负载量的金属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高负载量的金属单原子催化剂及其制备方法。采用碱金属混盐(KCl+LiCl)高温处理g

【技术实现步骤摘要】
一种高负载量的金属单原子催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高负载量的金属单原子催化剂及其制备方法，属于催化剂设计与制备


技术介绍

[0002]环境污染和能源短缺是人类社会可持续发展道路上所面临的两大挑战。开发和生产清洁能源是缓解这两大危机的合理方式。在现有的清洁能源产生和能源转化过程中，以金属颗粒为活性位点的负载型催化剂发挥着不可替代的作用。然而，这种金属颗粒负载型催化剂具有所暴露的活性位点数目少，金属原子利用率低等不足，严重制约了其催化性能。因此，开发新型、稳定、廉价、高效的催化剂是克服这些问题的关键。
[0003]金属单原子催化近年来收到了广泛的关注。与传统金属负载催化材料相比，金属单原子负载催化材料具有更高的金属原子利用率和更多的活性位点暴露数量。这种单原子催化剂对CO2还原，固氮，水分解，水汽转化，有机加氢反应和氧还原的反应表现出了超高的活性。随着研究的深入，人们发现亚纳米尺寸下的金属原子具有很高的表面自由能，在合成或催化反应过程中很容易团聚成金属颗粒。为了防止金属原子的团聚保持单原子分散性，金属原子负载量通常控制在1.5wt％以下。然而，催化剂的催化性能与催化活性位点密切相关，低的负载量势必会限制其催化性能。
[0004]因此，开发新型的单原子催化剂制备方法，合成高负载量的单原子催化对满足实际应用的活性需要具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种高负载量的单原子催化剂及其制备方法，操作简单，无须酸碱刻蚀，环境友好，热稳定性好，负载量在0～10wt％间可控，适合大规模工业化生产，可用于催化分解水、CO2还原、固氮和有机污染物降解等反应，具有广阔的前景。本专利技术是通过如下技术手段实现的：
[0006]一种高负载量的金属单原子光催化剂，包括：
[0007]层状材料；以及
[0008]金属单原子；
[0009]其中：金属单原子位于层状材料层与层之间；
[0010]层状材料为层状非金属聚合物g
‑
C3N4。
[0011]进一步的，所述金属单原子负载量在0～10wt％之间可控；
[0012]所述金属单原子为铂，银，铁，镍，铜中任意一种。
[0013]本专利技术还公开了一种上述高负载量的金属单原子光催化剂的制备方法，包括：
[0014](1)将层状非金属聚合物g
‑
C3N4与碱金属混盐混合，研磨均匀后加入坩埚，再将坩埚放入管式炉后密封，在惰性气体氛围下升温煅烧，自然冷却至室温，水洗，干燥，得到第一混合物；
[0015](2)将第一混合物分散于水中形成载体分散液，加入相应的金属子阳离子盐溶液，避光搅拌进行离子交换反应，得到第二混合液；
[0016](3)将第二混合液避光搅拌24h，水洗，烘干，得到金属离子负载g
‑
C3N4固体粉末；
[0017](4)将金属离子负载g
‑
C3N4固体粉末加入坩埚，置于管式炉中，密封，在惰性气体氛围下升温煅烧，自然冷却至室温，即得高负载量的金属单原子光催化剂。
[0018]进一步的，步骤(1)所述层状非金属聚合物g
‑
C3N4与碱金属混盐的质量比为4:20；该碱金属混盐为KCl与LiCl按质量比11:9的混合物。
[0019]进一步的，步骤(1)所述煅烧温度为500～600℃，煅烧时间为4h。
[0020]进一步的，步骤(2)所述金属阳离子盐溶液浓度为3000mg/L；该金属阳离子盐包括：氯氨铂，硝酸银，铁的硝酸盐、镍的硝酸盐、铜的硝酸盐或氯化盐中任意一种。
[0021]进一步的，步骤(2)所述载体分散液浓度为2g/L。
[0022]进一步的，步骤(4)所述升温煅烧温度为150～400℃，煅烧时间为1～3h。
[0023]本专利技术还公开了一种根据上述任一制备方法制得的高负载量的金属单原子光催化剂。
[0024]本专利技术的有益效果在于：
[0025]本专利技术巧妙利用层状材料层与层之间空隙的限域效应锚定金属原子，抑制了金属原子的团聚，大幅提高了金属单原子的负载量和金属单原子的稳定性；采用g
‑
C3N4为载体，金属硝酸盐或氯化盐为原材料，方法普适性广；采用KCl，LiCl和水为溶剂，绿色环保，经济廉价；制备过程操作简单，所需仪器为管式炉，无须专业人操作；所制备单原子催化剂，金属单原子在载体上分布均匀，适合大规模工业化生产；本专利技术所提供的单原子催化剂可用于催化分解水、CO2还原和固氮等反应，具有广阔的前景。
附图说明
[0026]图1为3.0wt％负载量的Pt单原子催化剂Pt
‑
CN的高分辨高角环形暗场扫描透射电子像电镜(HAADF
‑
STEM)照片。
[0027]图2为不同3.0wt％Pt负载量可见光(波长大于420nm)光催化降解苯酚同时产氢的性能测试图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和具体实施案例对本专利技术做进一步说明。
[0029]本专利技术提供一种高负载量的单原子催化剂及其制备方法，该方法是采用碱金属混盐(KCl+LiCl)高温处理g
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C3N4，使碱金属离子插入g
‑
C3N4层间；将碱金属离子插层材料分散于水溶液中，加入相应金属阳离子盐，采用离子交换手段置换碱金属离子，得到对应金属离子负载的g
‑
C3N4；惰性气体氛围下煅烧后即可得到单原子负载g
‑
C3N4催化剂。其具体实施步骤如下：
[0030](1)将g
‑
C3N4与碱金属混盐(KCl+LiCl)按质量比4:11:9混合，研磨均匀后加入坩埚，再将坩埚放入管式炉后密封，在惰性气体氛围下升温至500～600℃，煅烧4h，自然冷却至室温，水洗，20～60℃烘干，得到黄色固体粉末。
[0031](2)将(1)中所得黄色固体粉末分散于水中，形成载体分散液，加入相应的金属子
阳离子盐溶液，避光搅拌进行离子交换反应；其中，所述载体分散液浓度为2g/L，所述金属阳离子盐溶液浓度为3000mg/L；所述金属单原子负载量可通过调整加入碱金属阳离子盐的量精确控制。
[0032](3)将步骤(2)中所得混合溶液避光搅拌24h，水洗，20～60℃烘干，得到金属离子负载g
‑
C3N4固体粉末。
[0033](4)将步骤(3)中所得固体粉末加入坩埚，置于管式炉中，密封，在惰性气体氛围下升温至150～400℃，煅烧1～3h，自然冷却至室温，即可得到金属负载单原子g
‑
C3N4催化剂。金属阳离子盐，包括氯氨铂，硝酸银，铁的硝酸盐、镍的硝酸盐、铜的硝酸盐或氯化盐。所述金属单原子位于g
‑
C3N4层与层之间和材料表面，金属单原子负载量在0～10wt％之间可控；所述的金属单原子为铂，银，铁，镍，铜。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高负载量的金属单原子光催化剂，包括：层状材料；以及金属单原子；其中：金属单原子位于层状非金属聚合物g
‑
C3N4的层与层之间；层状材料为层状非金属聚合物g
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C3N4。2.根据权利要求1所述的高负载量的金属单原子光催化剂，其中：所述金属单原子负载量在0～10wt％；该金属单原子为铂，银，铁，镍，铜中任意一种。3.一种根据权利要求1或2所述高负载量的金属单原子光催化剂的制备方法，包括：(1)将非金属聚合物g
‑
C3N4与碱金属混盐混合，研磨均匀后加入坩埚，再将坩埚放入管式炉后密封，在惰性气体氛围下升温煅烧，自然冷却至室温，水洗，干燥，得到第一混合物；(2)将第一混合物分散于水中形成载体分散液，加入相应的金属子阳离子盐溶液，避光搅拌进行离子交换反应，得到第二混合液；(3)将第二混合液避光搅拌24h，水洗，烘干，得到金属离子负载g
‑
C3N4固体粉末；(4)将金属离子负载g
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：曾振兴，谭龙，肖鸿，彭宏，邓仕槐，
申请(专利权)人：四川农业大学，
类型：发明
国别省市：