[发明专利]一种单原子催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种金属氧化物负载的过渡金属单原子催化剂制备方法及其在催化反应中应用。本发明中过渡金属负载量为0.1到10wt.％。载体为可还原氧化物，经过与具有还原性物质作用合成。该载体具有大量缺陷位，可以固定住大量单原子过渡金属。本发明的制备方法简单，制备的催化剂是单原子催化剂，并且在多种催化反应中表现出了较好的催化活性。该制备方法具有大批量制备单原子催化剂的应用前景。

技术领域

本发明具体涉及一种单原子催化剂的制备方法及其用于多种催化反应中。

背景技术

为了最大限度地利用活性金属，我们往往采用将活性金属负载到载体上得到负载型催化剂。特别是对于贵金属，是否能充分利用它直接关系着催化剂的成本。因此最大限度地将活性金属分散在催化剂表面一直是科研工作者追求的目标。催化剂制备技术发展过程中，我们可以将负载的金属的粒径逐步减小，从微米到纳米，从几十纳米到几纳米，从纳米颗粒到小于两纳米的团簇。随着负载金属分散度不断提高，其粒径逐渐较小，其利用率得到了逐步提高。显然，为了使催化剂的活性金属利用率达到极致，那么活性金属的分散度达到最高，也就是活性金属以单原子的形式分散在载体表面。

但随着金属粒子的粒径逐渐减小，其比表面逐渐增大，表面自由能也是逐渐增加，特别是以单原子的形式存在的时候，其表面能非常大。因此，制备单原子催化剂过程中，原子态的金属很容易迁移聚合在一起，形成大的金属颗粒。因此，制备出单原子分散的催化剂一直有着很大的挑战。

然而有些科研工作者使用能与活性金属作用较强的载体来负载金属，通过金属与载体之间较强的作用来稳定住金属单原子，采用合适的制备方法制备出了高效的单原子催化剂。这些单原子催化剂在各种反应中都表现出较好的催化活性，包括一氧化碳氧化(QiaoB,et al.,Nat.Chem.,2011,3(8):634；Lin J,et al.,Angew.Chem.Int.Ed.,2012,51(12):2920.),选择性加氢(Kyriakou G,et al.,Science,2012,335(6073):1209；Wei H,et al.,Nat.Commun.,2014,5:5634),水煤气变换(Yang M,et al.,Science,2014,346(6216),1498-1501.)，甲醇水汽重整(Gu X K,et al.,ACS Catal.,2014,4(11):3886)，甲醛氧化(Hu P,et al.,Angew.Chem.Int.Ed.,2014,53(13):3418)等。

由于单原子催化剂的活性金属是高度分散的，因此金属的负载量往往非常的低，如0.08％Pt/FeO_x(Wei H,et al.,Nat.Commun.,2014,5:5634.)，0.25％Au-K/KLTL(YangM,et al.,Science,2014,346(6216),1498-1501.)。而对于工业生产来说，为了使单位质量的催化剂具有较高的催化活性，往往会增大其负载量以获得更高活性。因此提高单原子催化剂的活性金属的负载量是有利于其工业应用的。而我们制备出的单原子催化剂金属的担载量可以达到1-10％，是个负载量较高的单原子催化剂，并且其制备方法也较为简单，因此其具有潜在的工业应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种高负载量的单原子催化剂的制备方法及其在催化反应中的应用，本发明制备的单原子催化剂在多种催化反应中都表现出较好的催化活性。

本发明提供了一种可应用于多种催化反应的高负载量的单原子催化剂，该催化剂以可还原金属氧化物为载体，以过渡金属为活性组份。

所述的单原子催化剂的活性金属负载量在0.1-10％范围内；所用的还原态金属氧化物是将金属氧化物(如二氧化钛、二氧化铈、氧化铁，氧化钴、氧化锆等)经过还原剂还原得到，所用的过渡金属可以是Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Au等。还原剂主要包括碱金属、碱土金属、硼氢化物、氢化物、氢气等。