[发明专利]一种基于木质素/金属超分子组装构筑单原子催化剂的方法

说明书

一种基于木质素/金属超分子组装构筑成单原子催化剂的方法，属于催化材料制备和木质素应用技术领域。主要步骤包括：1)将一定浓度的木质素与金属离子溶液混匀，通过调节pH，形成木质素/金属子超分子组装沉淀；2)离心，干燥，获得催化剂前驱体。3)前驱体与氮源混合，在惰性气体保护下，程序高温烧结，即得金属单原子催化剂。与现有技术相比，本发明具有原料成本低(木质素为配体和载体)、工艺简单(pH调控前驱体和无酸洗剥离)、金属分散均匀(配位络合和增加缺陷位调控)等鲜明特点，易于实现金属单原子催化剂的规模化生产。

技术领域

本发明专利属于催化材料制备和木质素应用技术领域，具体涉及到一种基于木质素/金属超分子组装构筑单原子催化剂的方法。

背景技术

负载型多相催化剂对于提高催化剂的回收性和稳定性，降低催化剂成本，减少环境污染具有重要意义，在能源存储与转换、有机合成、药物制备和环境治理等领域均有广泛应用。研究表明：负载型金属催化剂的活性成分主要是金属，活性位点则集中于颗粒表面的原子。因此，合成更小尺寸的颗粒是提高金属催化剂活性和选择性的有效方法。

近年来，金属单原子催化剂实现了原子的最大利用效率，表现出高活性和高选择性，一些非贵重金属单原子催化剂的催化效率已经超过了商品化贵金属催化剂。研究者认为，单原子催化剂是架构多相和均相催化的桥梁。然而，由于单个金属原子具有很高的表面自由能，制备过程中极易聚集成团簇或纳米颗粒，较难获得单原子。由此可见，金属单原子催化剂的制备仍存在诸多挑战，主要在于如何有效地锚定金属原子，增加金属与载体之间的相互作用。

截止目前，相继报道了很多有关金属单原子催化剂的制备技术，如沉淀法、浸渍法、溶胶凝胶法和原子捕获法等，金属配体和载体材料涉及金属氧化物、石墨烯、碳纳米管等，这些方法对于提高金属单原子催化剂活性和研究其催化反应机理做出了重要贡献。专利(CN107346826A，2017)公开了一种单原子铁分散的氧化还原电催化剂制备方法，该工艺利用酸将氮掺杂碳负载的不稳定铁纳米颗粒溶解，与氮配位的铁原子得到保留，从而获得单原子分散的金属铁催化剂。这是一种常用的制备金属单原子催化剂方法，工艺较简单。但是，该技术会产生大量的酸废液，污染环境，且存在设备腐蚀等问题。文献(Yan H.etal.Single-Atom Pd₁/Graphene Catalyst Achieved by Atomic Layer Deposition:Remarkable Performance in Selective Hydrogenation of 1,3-Butadiene.J.Am.Chem.Soc.2015,137(33):10484-10487)报道了利用原子层沉积技术在氧化石墨烯上负载金属钯，制备单原子钯催化剂，然而，该方法存在金属负载量低，且需要昂贵设备，无法大规模生产。文献(Jones J.et al.Thermally stable single-atomplatinum-on-ceria catalysts via atom trapping.

Science.2016.353(6295):150-154)报道了一种利用原子捕获制备二氧化铈负载铂单原子催化剂，该技术优势在于利用Pt在高温有氧气条件下，成为挥发性PtO₂，被多倍体二氧化铈捕获。但是，该方法普适性差。综上，现有制备金属单原子催化剂的方法均存在工艺复杂、原料成本高、产量小、普适性差和环境污染严重等不足，至今为止，仍没有一种方法可以实现低成本工业化生产金属单原子催化剂。

发明内容

本发明的目的在于开发一种基于木质素/金属超分子组装构筑单原子催化剂的方法。主要括以下步骤：

(1)将一定浓度的木质素与金属离子溶液混匀，通过调节pH，形成木质素/金属子超分子组装沉淀；

(2)离心，干燥，获得催化剂前驱体。

(3)前驱体与氮源混合，在惰性气体保护下，程序高温烧结，即得单原子催化剂。