[發明專利]碳基雙限域界面負載的單原子催化劑及其制備方法

在審

• 申請號: 202010534389.3
• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111659442A
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 王帥;奚江波;池凱
• 申請（專利權）人: 珠海復旦創新研究院
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;B01J35/02;B01J37/08
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于催化劑技術領域，具體為一種碳基雙限域界面負載的單原子催化劑及其制備方法。本發明制備方法包括：氧化石墨烯（GO）被聚多巴胺（PDA）包裹的PDA?GO?PDA復合材料的合成；還原氧化石墨烯（RGO）被氮摻雜碳（NC）包裹的NC?RGO?CN雙限域界面復合材料的合成；NC?RGO?CN雙限域界面復合材料負載金屬單原子（M1）的M1/NC?RGO?CN雙限域界面單原子催化劑的合成。本發明通過對整體工藝流程、以及各個關鍵工藝步驟的反應條件及參數進行改進，能夠有效提高金屬單原子的分散性、催化劑活性、循環穩定性。

技術領域

本發明屬于催化劑技術領域，具體涉及一種單原子催化劑及其制備方法。

背景技術

單原子催化劑中金屬以單原子形式存在，因而，使其具有優異的催化活性，并展現出最大原子效率[Confined-interface-directed synthesis of Palladium single-atomcatalysts on graphene/amorphous carbon. Appl. Catal. B- Environ. 2018, 225,291-297.]。近年來，單原子催化劑在非均相催化領域得到了廣泛的研究，并應用于光催化、電催化和有機催化等諸多領域[Supported Noble-Metal Single Atoms forHeterogeneous Catalysis. Adv. Mater. 2019, 1902031]。然而,單原子難以穩定存在，尤其在負載量較高時極易團聚成納米粒子。因此，制備穩定的高負載量單原子金屬催化劑仍是一項挑戰。利用具有限域結構的載體來負載單原子是一種有效的制備方法[Catalysiswith Two-Dimensional Materials Confining Single Atoms: Concept, Design, andApplications. Chem. Rev. 2019, 119, 1806?1854]，可以提高單原子金屬的穩定性。2018年，本課題組設計并構建了石墨烯/非晶碳的限域界面，實現了活性單原子鈀在石墨烯/非晶碳界面的可控負載，制備的單原子催化劑展現出優異的催化性能。然而，該催化劑的金屬負載量僅為0.3wt.%，含量較低，限制了其應用范圍。

此外，利用載體中的雜原子（如氮）與金屬單原子形成配位結構也可以穩定單原子[Ambient Synthesis of Single-Atom Catalysts from Bulk Metal via Trapping ofAtoms by Surface Dangling Bonds. Adv. Mater. 2019, 1904496]，提高單原子催化劑的穩定性和負載量。這些載體材料的設計理念和合成策略為單原子催化劑的催化活性和穩定性提升提供了技術參考。因此，要實現高負載量和高穩定性的單原子催化劑，尋找具有強載體-金屬相互作用，較大負載能力的載體至關重要。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種碳基雙限域界面負載的高負載量和高穩定性的單原子催化劑及其制備方法。

本發明提供的碳基雙限域界面負載的單原子催化劑的制備方法，對現有制備方法整體工藝流程、以及各個關鍵工藝步驟（譬如載體制備工藝，包括“三明治”結構的構建工藝與載體的氮摻雜工藝等）的反應條件及參數（如反應原料的種類及配比、反應物濃度及反應溫度等）進行改進，與現有技術相比能夠有效提高金屬單原子的分散性、金屬的負載量，并且該制備方法工藝簡單、操作便捷、易規?；磻狭畠r、易得。本發明利用具有“三明治”結構的NC-RGO-CN雙限域界面，導向金屬單原子在限域界面的錨定，加強金屬與載體間的相互作用力，提高金屬負載量，并利用由氮元素和金屬兩者之間的化學配位作用進一步提升催化劑穩定性。

本發明能夠通過構建氮摻雜雙限域界面增加載體與負載金屬之間的相互作用力，以提高金屬的負載量并增強催化劑的穩定性。總之，本發明為高負載量和高穩定性單原子催化劑提供了新的制備方案。

本發明提供的碳基雙限域界面負載的單原子催化劑的制備方法，具體步驟如下：