[發(fā)明專利]一種生物碳基單原子鈀銅催化劑的制備及應(yīng)用方法

有效

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• 申請日: 2022-01-25
• 公開（公告）號: CN114538567B
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱宗強;董翼;張立浩;吳雨晴;朱義年;劉霜霜;唐沈;楊永華;周帥;江慧玲;孔俞凇
• 申請（專利權(quán)）人: 桂林理工大學(xué)
• 主分類號: C02F1/461
• 分類號: C02F1/461;C02F1/70;C02F101/16
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本發(fā)明公開了一種生物碳基單原子鈀銅催化劑的制備及應(yīng)用。將毛竹切割為塊體結(jié)構(gòu)，用氫氧化鈉破壞其有機質(zhì)，反復(fù)洗滌后烘干；收集樣品，將一定質(zhì)量比的毛竹碳和尿素(雙氰胺)置于去離子水中，攪拌至干燥；將樣品在管式爐中熱解，并研磨、過篩；稱取一定質(zhì)量比的氯化鈀和氯化銅溶解，用聚乙二醇溶液定容；投加熱解樣品于錐形瓶中，加入氯化鈀和氯化銅混合溶液后超聲、陳化，邊攪拌邊滴加硼氫化鈉至溶液澄清；隨后振蕩、抽濾，反復(fù)清洗后置于真空冷凍干燥機干燥，進而獲得毛竹生物碳基單原子鈀銅催化劑材料。所述催化劑不僅對地表水、地下水中的硝酸鹽氮有著良好的還原效果，而且為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化處理提供一種科學(xué)有效的途徑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于環(huán)境功能材料制備及催化應(yīng)用領(lǐng)域，更具體地，特別涉及一種單原子鈀銅功能材料的制備及其電催化還原應(yīng)用方法。

背景技術(shù)

我國地下水中硝酸鹽氮污染一直廣泛存在且日趨嚴重，其能直接或者間接進入人類生活環(huán)境或者動植物體內(nèi)，水中硝酸鹽氮含量過高，對人體造成危害，長期飲用硝酸鹽氮污染的水，會造成兒童智力下降，反應(yīng)遲鈍等身體疾病。對其的常見處理方法為生物處理法、物理處理法、化學(xué)還原法等。電催化還原法因其具有操作簡單、高效穩(wěn)定等優(yōu)勢而被廣泛關(guān)注。而電催化還原法的技術(shù)瓶頸在于電催化還原材料的制備，特別是涉及貴金屬的電催化還原材料精準化設(shè)計。

單原子分散設(shè)計是環(huán)境功能材料制備及催化應(yīng)用領(lǐng)域近年來的研究熱點，單原子催化劑載體上金屬元素能以單原子分散形式存在，其單原子分散特性可以極大提升材料表面改性的金屬特別是貴金屬的利用效率和催化活性，因此單原子分散可以大大降低貴金屬的使用量，從而降低功能材料的制備成本。

單原子催化劑的應(yīng)用選擇性和穩(wěn)定性與其表面元素的精準調(diào)控和載體結(jié)構(gòu)設(shè)計直接相關(guān)，通過催化劑表面金屬種類、比例和原子分散度等的精準調(diào)控，可充分發(fā)揮金屬或多金屬界面的協(xié)同作用，制備獲得穩(wěn)定性高、催化活性良好的單原子催化劑。

然而，載體的差異會導(dǎo)致負載于載體表面的金屬活性組分的分散性、電子效應(yīng)以及載體之間相互作用的不同。所以，選擇適宜的載體以及開展科學(xué)的載體表面改良在制備單原子催化劑過程中顯得尤為關(guān)鍵。現(xiàn)有研究報道，單原子催化劑可選擇的載體有化學(xué)合成的復(fù)雜碳材料、金屬氧化物合金屬氫氧化物等。

毛竹是一種禾本科、剛竹屬單軸散生型常綠喬木狀竹類植物，是我國種植栽培悠久、分布廣泛、經(jīng)濟價值高的可再生森林資源。毛竹生物碳因其高碳含量、豐富官能團、高比表面積、孔隙度發(fā)達和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點，被視為土壤改良、污染水體處理及受污染環(huán)境修復(fù)等方面最具有潛力的環(huán)境友好型且功能優(yōu)越的環(huán)保材料。

但由于生物質(zhì)碳制備工藝和自身表面組成特點的限制，使得其理化性質(zhì)存在較大的差異，制約了生物碳在實際應(yīng)用中，因此如何將生物質(zhì)碳的比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和表面官能團等理化性質(zhì)進行表面改造，使其具備單原子金屬負載條件是目前單原子材料領(lǐng)域的研究熱點與難點。

本發(fā)明通過氮摻雜方式，將毛竹碳載體表面C、O、S、N與目標貴金屬離子的配位環(huán)境進行科學(xué)改造，結(jié)合貴金屬元素的原位分散與還原技術(shù)開發(fā)，提升單原子貴金屬在毛竹生物碳載體的單原子分散穩(wěn)定性；具體將科學(xué)比例的金屬鈀銅，在經(jīng)過表面預(yù)處理的毛竹生物碳上進行精確的單原子分散調(diào)控和科學(xué)組配，能準確制備獲取穩(wěn)定性強、負載量高的生物碳基單原子鈀銅催化材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明涉及一種生物碳基單原子鈀銅催化劑的制備方法。該方法通過使用天然毛竹生物碳作為載體進行氮摻雜，利用浸漬法且在硼氫化鈉作用下還原制備單原子鈀銅催化劑。通過調(diào)控制備條件，合成的催化劑既含有均勻穩(wěn)定的單原子鈀銅，又具有高比表面積和分級多孔孔隙結(jié)構(gòu)，且對水體中硝酸鹽氮電催化還原效果良好。一種生物碳基單原子鈀銅催化劑的制備方法，其特征在于，所述催化劑載體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和其表面活性組分單原子鈀銅；所述載體為氮摻雜的毛竹生物碳，所述氮摻雜的毛竹生物碳上鈀和銅均呈原子度分散。

優(yōu)選地，按質(zhì)量百分比計，所述催化劑中，鈀、銅的負載量為2-4％。