[發明專利]一種生物質廢渣基單原子金屬催化劑及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202210038346.5
• 申請日: 2022-01-13
• 公開（公告）號: CN114210331A
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 沈國清;王晨;劉煥然;孫鵬;李曉穎;陳欽程
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B01J23/72
• 分類號: B01J23/72;B01J23/745;B01J23/75;B01J27/24;B01J35/00;B01J37/08;C02F1/72;C02F101/30
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 吳文濱

本發明涉及一種生物質廢渣基單原子金屬催化劑及其制備方法與應用，制備方法包括以下步驟：1)將生物質廢渣干燥、粉碎、過篩后得到廢渣粉末，之后進行限氧熱解，得到生物質炭；2)將生物質炭與氫氧化鉀溶液混合后進行攪拌，之后進行干燥，再于限氧條件下進行二次熱解，得到多孔炭；3)將金屬前驅體與鄰菲咯啉溶于有機溶劑中，之后加入多孔炭，并進行攪拌，之后烘干得到粉末，將粉末與氰胺類化合物混合均勻，在保護性氣氛下燒結。與現有技術相比，本發明以生物質廢渣熱解制得的多孔炭為載體，制備出生物質廢渣基單原子金屬催化劑，展現出優異的活性和穩定性，可滿足有關領域應用和發展的要求，尤其是對有機污染物具有高氧化活性。

技術領域

本發明屬于催化劑技術領域，涉及一種生物質廢渣基單原子金屬催化劑及其制備方法與應用。

背景技術

單原子催化是非均相催化領域研究的熱點之一。單原子催化劑是指催化劑中的金屬(M)活性位點與N/P/S/O等雜原子以配位鍵的形式結合并固定于催化劑載體表面，活性位點高度分散，其中不存在M-M金屬鍵。相比于傳統的催化劑，單原子催化劑具有顯著優勢：金屬負載量低，最大程度減少了金屬離子浸出；單個金屬原子活性位點的暴露，極大提高了活性金屬原子的利用率；活性金屬與催化劑載體表面的相互作用，更有利于電子的轉移，雜原子的摻雜改變催化劑的電子結構，有利于與催化體系的相互作用，從而提高催化效率。單原子催化劑的應用領域十分廣泛，包括CO₂還原、催化加氫、燃料電池、光電催化、氧化還原反應、析氫反應等。

目前，大量研究報道的單原子催化劑制備方法主要有空間限域法、原子層沉積法、原位熱解法、高溫遷移法、浸漬與共沉淀法等，其中涉及的金屬包括貴金屬(Pt、Pd、Au、Ag、Rh等)和非貴金屬(如Fe、Cu、Mn、Co等)。然而，這些方法僅適用于二維材料和金屬MOF框架作為催化劑載體，制備條件苛刻、成本高，不利于單原子催化劑的大規模生產應用。

發明內容

本發明的目的是提供一種生物質廢渣基單原子金屬催化劑及其制備方法與應用。本發明以生物質廢渣熱解制得的多孔炭為載體，既提升反應過程中與反應物的接觸面積，又阻隔了金屬位點，防止金屬原子的團聚，從而展現出優異的活性和穩定性，以滿足有關領域應用和發展的要求，尤其是對有機污染物具有高氧化活性。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種生物質廢渣基單原子金屬催化劑的制備方法，該方法包括以下步驟：

1)將生物質廢渣干燥、粉碎、過篩后得到廢渣粉末，之后進行限氧熱解，得到生物質炭；

2)將生物質炭與氫氧化鉀溶液混合后進行攪拌，之后進行干燥，再于限氧條件下進行二次熱解，得到多孔炭；

3)將金屬前驅體與鄰菲咯啉溶于有機溶劑中，之后加入多孔炭，并進行攪拌，之后烘干得到粉末，將粉末與氰胺類化合物混合均勻，在保護性氣氛下燒結，即得到所述的生物質廢渣基單原子金屬催化劑。

進一步地，步驟1)中，所述的生物質廢渣包括糠醛渣、沼渣、活性污泥、咖啡渣中的一種或更多種，所述的廢渣粉末的粒徑為0.1-5mm。廢渣的尺寸越小，熱解后生物質炭的比表面積就越大。

進一步地，步驟1)中，限氧熱解的溫度為400-800℃，時間為1-4h。

進一步地，步驟2)中，將生物質炭與氫氧化鉀溶液混合后，生物質炭的濃度為3-300mg/mL，氫氧化鉀的濃度為0.01-2mol/L。

進一步地，步驟2)中，攪拌時間為0.1-5h；二次熱解的溫度為600-900℃，時間為1-6h。

進一步地，步驟3)中，所述的金屬前驅體為三乙酰丙酮鐵、硝酸鐵、乙酸鐵、氯化鐵、酞菁鐵、乙酸錳、乙酰丙酮錳、乙酰丙酮鈷、乙酸鈷、硝酸鈷、氯化鈷、硝酸鎳、硝酸銅、乙酸銅、硝酸銀中的一種或更多種，所述的有機溶劑為乙醇，所述的氰胺類化合物包括三聚氰胺、雙氰胺中的一種或更多種。