[發明專利]一種二維鐵單原子催化劑及其制備和在1,2-二氯乙烷還原生產乙烯中的應用

有效

• 申請號: 202010399417.5
• 申請日: 2020-05-12
• 公開（公告）號: CN111468163B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 李新勇;甘國強;王亮;李季;梁峰;范詩迎;許鳳泉
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C25B3/03;C25B3/25;C25B11/075;C25B11/057
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 張玉瑩;李馨

本發明涉及一種1,2?二氯乙烷還原生產乙烯的二維鐵單原子催化劑及其制備方法和應用。所述二維鐵單原子催化劑經自模板聚合、干燥、煅燒以及浸漬等步驟制備而得，催化劑由Fe、N、C三種元素組成，其中，鐵的百分含量為0.5?3％，并且以單原子形式分散于二維氮摻雜碳基體上。本發明提供的二維鐵單原子催化劑呈現出均勻的超薄結構，而且具有優良的導電性和電化學催化功能，其在應用為電化學陰極催化劑時，表現出優良的1,2?二氯乙烷電催化還原脫氯產乙烯的活性、選擇性和穩定性。本發明提供的單原子催化劑制備方法簡單易行、成本較低，同時，在1,2?二氯乙烷脫氯制備乙烯反應中表現出極好的催化性能，具有廣闊的工業應用前景。

技術領域

本發明屬于催化劑領域，具體涉及一種二維鐵單原子催化劑及其制備和在1,2-二氯乙烷還原生產乙烯的應用。

背景技術

乙烯是化工行業生產各種化工中間體和聚合物的重要原料，全球每年消耗約1.5億噸。目前，制備乙烯的常規方法是乙烷或粗汽油等烴類原料的高溫(750℃)氣相自由基裂解反應，該工藝能耗高、碳強度大。因此，開發先進高效的乙烯制備方法迫在眉睫。1,2-二氯乙烷電催化還原脫氯反應是一種經濟高效、綠色環保的制備乙烯的新型途徑。然而，由于C-Cl鍵鍵能較強，1,2-二氯乙烷的反應活性較差，導致反應條件比較苛刻，實際應用中對催化劑性能要求較高，限制了該工藝的發展。因此，開發高反應活性及選擇性的先進催化劑是該反應的關鍵。

近年來，1,2-二氯乙烷電催化還原脫氯合成乙烯的催化劑選擇的相關研究較多，包括鈀、鉑、金、銀、銅、鐵、鎳等金屬催化劑以及玻碳、石墨等碳材料。然而，這些催化劑的活性或乙烯選擇性不足，不能滿足應用所需。

發明內容

針對以上問題，本發明提供了一種簡單的模板誘導聚合的方法制備二維鐵單原子催化劑，包括聚合、干燥、煅燒以及浸漬等步驟。該制備方法簡單易行、成本較低，同時，所得的二維鐵單原子催化劑在1,2-二氯乙烷脫氯制備乙烯反應中表現出極好的催化活性、乙烯選擇性及穩定性，具有很好的工業應用前景。

本發明旨在提供一種二維鐵單原子催化劑及其制備方法，并將其用于1,2-二氯乙烷還原生產乙烯的反應，為了實現上述目的，本發明技術方案如下：

一方面，本發明提供了一種二維鐵單原子催化劑，所述催化劑的元素組成為Fe、N、C；所述鐵以單原子形式分散于二維氮摻雜碳基體。

優選地，所述催化劑中鐵的百分含量為0.5-3％。

優選地，所述催化劑為超薄二維結構，厚度為3～100nm。

另一方面，本發明提供了一種二維鐵單原子催化劑的制備方法，所述催化劑采用自模板法制備，所述自模板法包括以下步驟：

1)將FeCl₃·6H₂O溶于去離子水中得溶液A；將鹽酸多巴胺溶于去離子水中得溶液B；

2)將溶液B滴加到溶液A中，攪拌均勻，靜置老化；

3)將老化后的溶液干燥，得到固體I；

4)將固體I在惰性氣氛下煅燒，煅燒后自然冷卻至室溫，得到固體II；

5)將固體II研磨成粉末，加入硫酸溶液，超聲洗滌，去除多余的鐵鹽及其他形式的鐵物種，過濾，干燥后得到二維鐵單原子催化劑。

所述步驟1)FeCl₃·6H₂O與鹽酸多巴胺的質量比為1:1～20:1。

優選地，所述步驟2)溶液B的滴加速率為2-3mL/min，靜置老化時間為6-12h；所述步驟3)老化后的溶液干燥溫度為60-80℃，干燥時間為12-24h；所述步驟4)固體I的煅燒溫度為500-1000℃，煅燒時間為2-4h，煅燒時的升溫速率為1～5℃/min。