【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于催化剂领域，具体涉及一种多尺度金属串联催化剂、制备方法和应用。
技术介绍
1、随着全球经济快速增长，环境问题和能源危机日趋严重。因此，迫切需要开发将可持续新能源进行高效存储和转化的技术。电化学方法可以在温和的条件下进行，而且是一种经济、易操作，且对环境友好的方法。风能、太阳能等可持续、绿色能源可被转化成电能，再通过电化学反应将自然界中的气体(co2、h2、o2等)、水等转化为可储存、清洁的化学产品和新型燃料产品。但电化学反应动力学缓慢，需要催化剂对其反应进行催化加速。因此，开发高效电催化剂是实现能源储存和物质转化的关键。
2、由于过渡金属材料(例如cu、ag、au、fe、co、ni、mo、mn、rh、ru、pd、pt和ir等)具有优越的电催化性能，可应用于制备催化剂。然而，过渡金属存在储量稀少和价格昂贵的问题，极大地制约了其在能源和物质转化技术的广泛应用。此外，电催化反应路径复杂，副反应严重，且金属催化剂在催化反应过程中易发生迁移与团聚，导致其催化性能的衰减。因此，如何制备廉价、高效、稳定且易规模化生成的催化剂已成为能源和物质转化领域的重点、难点和热点之一。
3、近期，具有高原子利用率的单原子催化剂、纳米簇催化剂被广泛报道，相较于块体材料催化剂，当催化剂的尺寸减少，其几何结构和电于结构将会发生变化，从而表现出完全不同的催化性能。金属纳米团簇(mnc)催化剂具有高比表面积、量子尺寸效应等优越特性，在催化剂领域应用广泛。单原子金属催化剂具有最大化的原子利用率，在电催化方面表现出优异的催化性能。但
4、串联催化剂可以通过协同催化推动转化或控制反应中间体选择性来改变反应途径，甚至反应中间体可以在催化剂位点之间顺序传递，实现反应产物的精准调控。申请号为cn202310570257.x的中国专利公开了一种三明治型单原子串联催化剂方法，将乙酸盐与双聚氰胺配置成相应的均匀前驱体粉料a进行热处理(350℃3h、650℃3h、1000℃1h)制备出原子级分散的金属材料b，再将b喷涂在碳纸电极c上，最后在材料c表面溅射相应金属元素的纳米层获得三明治型单原子串联催化剂。申请号为cn202211254136.6的中国专利公开了一种氮/硫共掺杂多孔碳负载锌单原子/金属铜串联催化剂。预制备的硫掺杂锌基金属有机框架前驱体被高温煅烧(800～1100℃)得到氮/硫共掺杂多孔碳负载锌单原子，再将其分散液喷涂至聚四氟乙烯膜负载铜纳米颗粒基底的表面获得氮/硫共掺杂多孔碳负载锌单原子/金属铜串联催化剂。该催化剂应用于高效电催化二氧化碳还原得到乙烯产物。申请号为cn202211418352.x的中国专利一种串联催化剂及其制备方法，主要将水性高分子或水性高分子单体与单分散金属前驱体、水和掺杂剂混合而成高分子凝胶前液进行定向冷冻、解冻和第一热解(500～1000℃)，得到多级孔碳负载单分散金属原子材料，再进一步与金属纳米颗粒前驱体溶液复合、第二热解(400～800℃)，得到所述串联催化剂。该催化剂能够高选择性地电催化二氧化碳转化为多碳产物。以上常见制备金属串联催化剂的方法存在工艺复杂、能耗大、成本高及无法大规模生产等缺点。到目前为止还未见工艺简便、高载量、组分可控的金属型单原子和纳米团簇催化剂的报道。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于针对制备金属催化剂存在的缺陷，提供一种多尺度金属串联催化剂、制备方法和应用。所述催化剂中，金属单原子和金属纳米团簇锚定在杂原子掺杂碳基材料(msa/nc/x-c)上，其中m是的金属元素，所述金属元素选自cu、ag、au、fe、co、ni、mo、mn、rh、ru、pd、pt和ir等中的一种，sa是指单原子的缩写，nc是金属团簇的缩写，x-c表示杂原子掺杂碳，x为杂原子(氮、硫、硼和/或氟等)。
2、本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
3、所述金属串联催化剂以杂原子掺杂碳为骨架，金属单原子和金属纳米团簇锚定在所述骨架上。
4、优选地，以催化剂总质量计，所述催化剂中金属单原子质量百分含量为0.5wt％～10wt％，金属纳米团簇质量百分含量为1wt％～50wt％。例如，以催化剂总质量计，所述催化剂中金属单原子质量百分含量为0.5wt％、0.7wt％、0.9wt％、1.1wt％、1.3wt％、1.5wt％、1.7wt％、1.9wt％、2.1wt％、2.3wt％、2.5wt％、2.7wt％、2.9wt％、3.1wt％、3.3wt％、3.5wt％、3.7wt％、3.9wt％、4.1wt％、4.3wt％、4.5wt％、4.7wt％、4.9wt％、5.1wt％、5.3wt％、5.5wt％、5.7wt％、5.9wt％、6.1wt％、6.3wt％、6.5wt％、.7wt％、6.9wt％、7.1wt％、7.3wt％、7.5wt％、7.7wt％、7.9wt％、8.1wt％、8.3wt％、8.5wt％、8.7wt％、8.9wt％、9.1wt％、9.3wt％、9.5wt％、9.7wt％、9.9wt％或10wt％，金属纳米团簇质量百分含量为1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、10wt％、12wt％、14wt％、16wt％、18wt％、20wt％、22wt％、24wt％、26wt％、28wt％、30wt％、32wt％、34wt％、36wt％、38wt％、40wt％、42wt％、44wt％、46wt％、48wt％或50wt％。
5、优选地，所述的金属选自cu、ag、au、fe、co、ni、mo、mn、rh、ru、pd、pt和ir等中的一种。
6、优选地，所述的杂原子为氮、硫、硼或氟等。
7、一种制备如上所述的催化剂的方法，包括以下步骤：
8、1)将杂原子掺杂碳材料、金属盐和熔融盐置入球磨罐中，以转速100～500r/min球磨30min～10h；其中，所述金属盐中的金属元素选自cu、ag、au、fe、co、ni、mo、mn、rh、ru、pd、pt和ir等中的一种；
9、2)将球磨得到的粉末，在管式炉中惰性气体氛围下进行加热处理，其中升温速度为1～5℃/min，加热至200～300℃，保温时间为30～300min，最后降温，洗涤，干燥得到msa/nc/x-c本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多尺度金属串联催化剂，其特征在于，所述催化剂以杂原子掺杂碳为骨架，金属单原子和金属纳米团簇锚定在所述骨架上。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，以催化剂总质量计，金属单原子质量百分含量为0.5wt％～10wt％，金属纳米团簇质量百分含量为2wt％～50wt％。
3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述的金属选自Cu、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Mo、Mn、Rh、Ru、Pd、Pt和Ir等中的一种。
4.一种制备如权利要求1所述的催化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述杂原子掺杂碳碳材料选自杂原子(氮、硫、磷或氟等)掺杂石墨烯、纳米管以及含杂原子(氮、硫、磷、硼或氟等)有机物或无机物(双氰胺、三聚氰胺、尿素、聚吡咯、三聚硫氰酸、植酸、氢氟酸或硼砂等)制备的杂原子掺杂碳材料；优选地，所述杂原子掺杂碳材料为N掺杂石墨烯、B掺杂石墨烯、N掺杂碳纳米管或S掺杂碳纳米管等；优选地，所述杂原子掺杂碳材料中，杂原子的重量百分含量为1～6wt％。
6.根
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中杂原子掺杂碳材料、金属盐和熔融盐的添加量以重量份数计：杂原子掺杂碳材料5-50份，金属盐1-20份和60-600份熔融盐。
8.权利要求1-2中任一项所述的催化剂或由权利要求4-7任一项所述的方法制备的催化剂在电化学反应中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种多尺度金属串联催化剂，其特征在于，所述催化剂以杂原子掺杂碳为骨架，金属单原子和金属纳米团簇锚定在所述骨架上。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，以催化剂总质量计，金属单原子质量百分含量为0.5wt％～10wt％，金属纳米团簇质量百分含量为2wt％～50wt％。
3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述的金属选自cu、ag、au、fe、co、ni、mo、mn、rh、ru、pd、pt和ir等中的一种。
4.一种制备如权利要求1所述的催化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述杂原子掺杂碳碳材料选自杂原子(氮、硫、磷或氟等)掺杂石墨烯、纳米管以及含杂原子(氮...
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