[發明專利]一種光穩定型超薄BiOCl原子層錨定過渡金屬單原子催化劑及其制備與應用

有效

• 申請號: 202210435401.4
• 申請日: 2022-04-24
• 公開（公告）號: CN114797911B
• 公開（公告）日: 2023-10-03
• 發明（設計）人: 熊旭陽;孫冰潔;周騰飛;張龍海
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: B01J27/128
• 分類號: B01J27/128;B01J27/135;B01J27/06;B01J37/10;C07C9/04;C07C1/02
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發明公開了一種光穩定型超薄BiOCl原子層錨定過渡金屬單原子催化劑及其制備與應用，該催化劑以過渡金屬單原子為活性組分、以具有缺陷位的BiOCl原子層為載體，過渡金屬單原子錨定在BiOCl原子層的缺陷位上。本發明所得光催化劑中過渡金屬單原子穩定單分散，且具有優異的電荷分離能力與界面反應特性，可以實現高活性、高選擇性的二氧化碳還原為甲烷。

技術領域

本發明涉及微納米材料制備技術領域，具體涉及一種普適性的單原子催化劑的制備方法和應用。

背景技術

單原子催化劑被視為溝通均相催化劑與非均相催化劑的橋梁，其既保留了均相催化劑高活性、高選擇性的特點，又具備非均相催化劑易于分離的優勢，因此單原子催化劑成為了催化劑設計領域的熱點，代表了該領域發展的方向。

然而，受原子單分散時高表面能的影響，制備與應用單分散原子時極易發生團聚現象，造成活性位點結構的破壞與催化性能的下降。現有技術中比較成熟的、能夠穩定應用的單原子催化劑多為金屬–氮–碳構型(M–N–C構型)，例如以MOF材料中含氮有機配體或氮摻雜石墨碳來錨定過渡金屬單原子[Angewandte Chemie,2016,128(36):10958-10963]。但是，上述所列舉的、最為常見的M–N–C構型單原子催化劑在光催化應用中具有固有缺陷。這是因為，當光生空穴或者電子與水中氧氣或水本身反應，產生活性氧物種時，會造成嚴重的光腐蝕，破壞M–N–C型單原子催化劑的結構，使其失活[Chemical reviews,2017,117(17):11302-11336]。因此在實際應用中，M–N–C型單原子催化劑需要依靠光敏化劑或犧牲劑來保持性能的穩定，極大的增加了其使用成本，阻礙單原子催化劑的應用。這亟需科研人員開發金屬–氧構型(M–O構型)單原子催化劑，從根本上杜絕氧化對催化劑結構的破壞和性能的干擾。因此，在光催化中設計合成M–O型單原子催化劑，對于提升催化活性、選擇性與穩定性而言，是至關重要的。

然而，現有技術中用于合成M–O型單原子催化劑的金屬氧化物載體主要為CeO₂、FeO_x、Al₂O₃、TiO₂、MgO、SiO₂、WO_x和ZnO。對于這些氧化物而言，其并不具備二維結構的特性，從而造成單原子錨定的晶面多樣、配位結構復雜、且無法兼容考慮材料自身電荷轉移等因素。對于在二維的、超薄的、光活性的BiOCl單一晶面載體上合成M–O型單原子催化劑，是未經報道的。

發明內容

本發明的一個目的在于提供一種M–O型單原子催化劑，該催化劑以BiOCl單一晶面為載體，具有高的過渡金屬單原子負載量。

本發明的另一個目的在于提供上述M–O型單原子催化劑的制備方法，該制備方法具有適用于多種過渡金屬單原子催化劑制備、制備溫度低、活性組分即過渡金屬單原子負載量大的優點。

本發明的第三個目的在于提供上述過渡金屬單原子催化劑在光催化二氧化碳還原制備甲烷中的應用，該催化劑具有較高的選擇性和活性。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明首先提供了一種光穩定型超薄BiOCl原子層錨定過渡金屬單原子催化劑，所述催化劑以過渡金屬單原子為活性組分、以具有缺陷位的BiOCl原子層為載體，過渡金屬單原子錨定在BiOCl原子層的缺陷位上；其中，以所述催化劑的總重量為100％計，過渡金屬單原子的負載量為1～10wt％。

優選地，所述過渡金屬原子選自Ti、Fe、Co、Ni或Cu。