[發明專利]溶液合成原子級分散金屬氧還原催化劑的方法

有效

• 申請號: 201810341647.9
• 申請日: 2018-04-17
• 公開（公告）號: CN108654701B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 伍暉;黃凱;魏呵呵;張瀟源
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B01J37/16
• 分類號: B01J37/16;B01J37/08;B01J37/06;B01J37/00;B01J27/24;B01J23/755;B01J23/75;B01J23/745
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 趙天月

本發明提出了溶液合成原子級分散金屬氧還原催化劑的方法。該方法包括：(1)將金屬化合物與第一溶劑混合形成金屬前驅體溶液；(2)將還原劑與第二溶劑混合形成還原劑溶液；(3)將載體材料與第三溶劑混合形成分散液；(4)通過滴加并攪拌的方式，將金屬前驅體溶液與還原劑溶液混合，以便得到含有原子級分散金屬的溶液；以及(5)將分散液加入到含有原子級分散金屬的溶液中并攪拌，以便利用載體材料吸附原子級分散金屬，獲得原子級分散金屬氧還原催化劑，其中，步驟(4)以及步驟(5)的環境溫度為?100～0℃。該方法制備的催化劑具有大密度、高產量、高效率、適用性強等優點，且可大規模制備具有高金屬負載量的催化劑，顯著降低成本。

技術領域

本發明涉及材料科學與工程技術和化學領域，具體地，涉及溶液合成原子級分散金屬氧還原催化劑的方法。

背景技術

對于負載型催化劑而言，金屬顆粒尺寸越小越好。這是因為上述催化劑的催化活性位點存在于金屬顆粒表面，催化劑內部不與反應物發生反應。由此，最大化地暴露金屬顆粒的活性位點，可以提高催化活性，降低成本。目前，可以利用金屬原子作為催化反應過程中的活性位點，也即是說可以利用單原子進行催化。與傳統的納米級金屬催化劑相比，原子級分散金屬催化劑不僅可以顯著提高金屬原子作為催化反應活性位點的有效利用率從而實現更高的比質量活性，還具備更好的催化選擇性、穩定性以及抗中毒能力。

然而，目前的制備原子級分散金屬氧還原催化劑的方法仍有待改進。

發明內容

本發明是基于發明人的以下發現而完成的：

目前，原子級分散金屬氧還原催化劑存在金屬原子尤其是貴金屬原子有效利用率較低的問題，導致金屬催化劑大規模商業化應用成本較高。發明人經過深入研究發現，這主要是由于目前用于制備原子級分散金屬氧還原催化劑的方法無法實現大規模高金屬負載量制備而導致的。具體的，由于考慮到原子級分散金屬較高的表面自由能和活性，目前常以浸漬煅燒方法制備原子級分散金屬氧還原催化劑，而上述方法有效金屬負載量非常有限(1.0wt％)，極大地限制了金屬原子的有效利用率，從而導致金屬催化劑的應用成本較高。

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

有鑒于此，在本發明的一個方面，本發明提出了一種溶液合成原子級分散金屬氧還原催化劑的方法。該方法包括：(1)將金屬化合物與第一溶劑混合形成金屬前驅體溶液；(2)將還原劑與第二溶劑混合形成還原劑溶液；(3)將載體材料與第三溶劑混合形成分散液；(4)通過滴加并攪拌的方式，將所述金屬前驅體溶液與所述還原劑溶液混合，以便得到含有原子級分散金屬的溶液；以及(5)將所述分散液加入到所述含有原子級分散金屬的溶液中并攪拌，以便利用所述載體材料吸附所述原子級分散金屬，獲得所述原子級分散金屬氧還原催化劑，其中，步驟(4)以及步驟(5)的環境溫度為-100～0℃。該方法制備的催化劑具有大密度、高產量、高效率、適用性強等優點，且可大規模制備具有高金屬負載量的原子級分散金屬氧還原催化劑，可顯著降低金屬催化劑大規模商業化應用的成本。

根據本發明的實施例，所述原子級分散金屬包括Fe、Co和Ni的至少之一。由此，可以簡單、有效地制備含有上述金屬的多種原子級分散金屬氧還原催化劑。

根據本發明的實施例，所述第一溶劑、所述第二溶劑以及所述第三溶劑分別獨立的包括水、乙醇、乙二醇、丙酮、氯仿、乙醚、四氟氫喃、二甲基甲酰胺以及甲醛的至少之一。由此，可以分別形成金屬前驅體溶液、還原劑溶液以及分散液，利用溶液合成的方法大規模的制備高金屬負載量的原子級分散金屬氧還原催化劑。