[發明專利]一種金屬原子催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 202111134363.0
• 申請日: 2021-09-27
• 公開（公告）號: CN113856723B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 姜海波;李春忠;沈建華;文應強;余盛偉;陸吉源;謝翔;孫雪
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 王衛彬;劉奉麗

本發明公開了一種金屬原子催化劑及其制備方法。所述金屬原子催化劑以氮摻雜碳為骨架，所述金屬原子錨定在所述骨架上；所述骨架為層狀石墨烯結構，所述骨架上所負載的所述金屬原子呈原子級分散狀態；所述金屬原子催化劑無金屬原子團聚現象；所述金屬原子的含量為1?3wt％；所述金屬原子催化劑具有多孔結構，所述金屬原子催化劑的比表面積為400?650msupgt;2/supgt;/g。該金屬原子催化劑金屬負載量高、無金屬團聚、穩定性高、具有多孔結構且比表面積大，活性位點暴露多，催化活性高。該制備方法操作簡單且產量高、具有普適性并可規模化量產金屬原子催化劑。

技術領域

本發明涉及一種金屬原子催化劑及其制備方法。

背景技術

隨著社會的發展，能源問題和環境污染問題已經日益突出。因此，開發高效的能源轉化材料迫在眉睫。其中，過渡金屬原子催化劑由于其高效的催化效率受到廣泛關注。原子催化劑是由金屬原子分散在各種固體載體上的新型材料。原子催化劑由于具有最大化的原子利用效率和獨特的金屬原子協同作用環境而具有高效的催化效率。同時，金屬原子催化劑的結構簡單，活性位點明確，有利于研究催化劑的結構與性能的關系。

但是，現有的金屬原子催化劑金屬負載率不高，導致金屬活性不能滿足需要，且易發生金屬團聚現象、穩定性低。通過單純的增加前驅體中金屬的含量并不會增加金屬負載量，甚至更容易形成金屬團聚。有多孔結構的金屬原子催化劑比表面積較小。

Ye等人(Energy?Environ.Sci.，2019.12，1000)用微波還原方法合成了錨定在苯胺堆積的石墨烯上的鉑單原子(Pt?SASs/AG)，負載量只有0.44wt％，且增加氯鉑酸的用量，其負載量也不增加。

Geng等人(Adv.Mater.，2018.30，1803498)通過熱解含Ru的ZIF-8制備了一種氮摻雜碳負載Ru單原子催化劑，負載量僅僅只有0.18wt％，若增加負載量又會導致金屬團聚，形成Ru納米粒子。

Wang等人(ACS?Catal.，2018.8，7113-7119)報道了一種介孔CeO₂納米棒上負載Cu單原子應用于CO₂電還原為CH₄，其比表面積為86.7m²·g^-1。

現有的金屬原子催化劑的制備方法有浸漬法、濕化學法、熱解法、電沉積和球磨法等。其中，熱解法是最普遍使用的方法之一，但是熱解法尤其容易形成金屬團聚現象。現有的球磨法不能對樣品進行有效分散，尚不能滿足需要，還需進行改進以提升效果。

因此，亟待研發金屬負載量高，同時無金屬團簇現象、穩定性高的金屬原子催化劑及其制備方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是為克服現有技術中金屬原子催化劑中金屬負載量低、易金屬團聚和穩定性差的缺陷，而提供一種金屬負載量高、無金屬團聚、穩定性高、具有多孔結構且比表面積大，活性位點暴露多，催化活性高的金屬原子催化劑，以及一種操作簡單且產量高、具有普適性并可規模化量產的制備金屬原子催化劑的方法。

本發明通過下述技術方案解決上述技術問題：

本發明提供一種金屬原子催化劑，其以氮摻雜碳為骨架，所述金屬原子錨定在所述骨架上；所述骨架為層狀石墨烯結構，所述骨架上所負載的金屬原子呈原子級分散狀態；所述金屬原子催化劑無金屬原子團聚現象；所述金屬原子的含量為1-3wt％；所述金屬原子催化劑具有多孔結構；所述金屬原子催化劑的比表面積為400-650m²/g。

其中，所述金屬原子的含量較佳地為1.5-2.7wt％，更佳地為1.52-2.65wt％。所述金屬原子催化劑的比表面積較佳地為440-635m²/g，更佳地為449.77-631.07m²/g。所述多孔結構的孔徑可為2-100nm，主要分布在15-20nm。