[發明專利]一種非貴金屬單原子催化劑的可控制備方法

有效

• 申請號: 201710284637.1
• 申請日: 2017-04-26
• 公開（公告）號: CN107096536B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發明（設計）人: 張其坤;王帥花;馬曉曄;張慧超
• 申請（專利權）人: 山東師范大學
• 主分類號: B01J23/745
• 分類號: B01J23/745;B01J37/00;B01J37/16;B01J35/10
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張曉鵬

本發明公開了一種非貴金屬單原子催化劑的可控制備方法，其解決了現有技術中尚沒有非貴金屬單原子催化劑的制備方法的問題，降低了催化劑成本，提高了原子利用率，制備的單原子催化劑具有催化活性高、穩定性強等優點。其技術方案為：包括如下步驟：1)利用混酸氧化法在多孔載體材料上制得含氧官能基團；2)將氧化后的多孔載體分散液與非貴金屬鹽的水溶液混合，非貴金屬陽離子與多孔載體上的含氧官能基團發生定點反應，負載到多孔材料上；3)采用還原劑對負載到多孔材料上的非貴金屬陽離子進行原位還原，制備得到非貴金屬單原子催化劑。

技術領域

本發明屬于高效工業催化劑制備技術領域，具體涉及一種非貴金屬單原子催化劑的可控制備方法，利用官能化載體與銅、鐵等非貴金屬鹽定點反應，然后用強還原劑原位還原，將載體上負載的金屬陽離子轉換成金屬單原子，實現非貴金屬單原子催化劑的可控制備。

背景技術

單原子催化劑是多相催化領域一個新興的研究熱點，是指催化劑中活性組分完全以孤立的單個原子的形式存在，并通過與載體作用或與第二種金屬形成合金得以穩定。相比于納米/亞納米催化劑，單原子催化劑具有諸多優勢：(1)活性組分達到最大程度分散(100％)，可有效提高金屬(特別是貴金屬)原子利用率；(2)活性位點的組成和結構單一，可避免因活性組分組成和結構不均勻導致的副反應，從而顯著提高目標產物的選擇性；(3)單原子催化劑兼具高活性、高選擇性和可循環使用的優點，有望成為連接均相催化與非均相催化的橋梁。因此，單原子催化劑為在原子尺度上理解催化機理和構效關系提供了一個很好的平臺。

2011年，中科院大連化學物理研究所張濤院士領導的團隊及合作者大膽突破傳統思維，首次制備出單原子Pt₁/FeO_X催化劑，并以CO氧化為探針反應結合理論計算詳細研究了單原子催化的機理，并第一次在學術上提出“單原子催化”的觀點。在單原子催化劑概念提出的短短幾年里，它已經成為目前多相催化領域的研究熱點，在催化領域展現出了非常巨大的潛力。我國多家單位課題組以及美國加州大學、加拿大西安大略大學、英國劍橋大學、阿斯頓大學、瑞士聯邦理工學院、日本國家材料科學研究所等單位都相繼開展了單原子催化劑的制備與催化性能研究工作，發展出許多新的單原子催化劑制備方法。但目前還沒有一個比較普適的方法來合成單原子催化劑，也只有個別課題組通過不斷的摸索在一些特殊的載體上能夠合成出相對比較均勻的單分散的單原子催化劑。因此，單原子催化劑面臨的首要挑戰，是如何制備出孤立的并能穩定存在的金屬單原子。由于單個原子具有較高的表面能，為避免團聚，制備的單原子催化劑負載量往往較低(<0.5wt％)；另一方面，載體與金屬單原子之間存在著微妙的金屬-載體界面協同效應，但實際催化劑卻存在著其界面精細結構表征難、構-效關系本質難被揭示的特點，這是單原子催化劑研究工作的另一個巨大挑戰。

綜上所述，現有技術中對于非貴金屬單原子催化劑的制備，尚缺乏有效的解決方案。

發明內容

針對上述現有技術中存在的不足，本發明提供了一種非貴金屬單原子催化劑的可控制備方法。該方法利用定點單原子沉積法制備非貴金屬單原子催化劑，降低了催化劑成本，提高了原子利用率，具有催化活性高，穩定性強等優點，以結構、組成可調控的負載型銅、鐵基單原子顆粒為模型催化劑來深入研究催化劑的復雜界面效應，這一策略也適用于其他催化體系的研究，將有助于開發更為高效、低廉的實用非貴金屬催化劑。

為了解決以上技術問題，本發明的技術方案為：

一種非貴金屬單原子催化劑的可控制備方法，包括如下步驟：

1)利用混酸氧化法在多孔載體材料上制得含氧官能基團；

2)將氧化后的多孔載體分散液與非貴金屬鹽的水溶液混合，非貴金屬陽離子與多孔載體上的含氧官能基團發生定點反應，負載到多孔材料上；

3)采用還原劑對負載到多孔材料上的非貴金屬陽離子進行原位還原，制備得到非貴金屬單原子催化劑。