[发明专利]一种金属氧化物负载单原子催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种金属氧化物负载单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：第一步：机械球磨：利用机械球磨的方法使贵金属化合物分散于金属氧化物中，得到单原子催化剂前驱体，贵金属的含量在0.01%至5wt%。第二步：高温焙烧：将第一步所得单原子催化剂前驱体在空气下进行简单焙烧，冷却至室温后便可得到对应的单原子催化剂。利用球磨机能够使贵金属化合物以十分分散的状态均匀分布在氧化物载体中，为金属单原子的形成及稳定创造了十分良好的条件。本发明在制备过程中，对原料几乎无损失，符合绿色环保的理念。本发明实现了金属单原子材料的简单制备，具有良好的拓展性和重现性，解决了现有技术中金属含量低、种类少、制备方法复杂、成本高和载体损耗量大等问题。

技术领域

本发明涉及属于材料科学与工程技术领域，具体地说，涉及一种金属氧化物负载单原子催化剂的制备方法。

背景技术

单原子催化剂兼具均相催化剂的活性中心和多相催化剂结构稳定易分离的特点,是实现统一的“大”催化理论非常重要的突破口。由于其优越的催化性能在工业催化中具有巨大的应用潜力。

制备单原子催化剂，首先需要考虑将孤立的单个原子负载于载体之上，避免在制备和使用过程中发生金属原子的团聚。理论上，提高单原子金属的负载量和避免团聚可以采取两种措施：一是增大载体的表面积，二是增强金属和载体的相互作用。基于以上两种措施，单原子催化剂制备方法主要有共沉淀法、浸渍法、质量分离软着陆法、原子层沉积法等。

但目前各种制备单原子催化剂的方法均存在诸多缺陷，例如：（1）质量分离软着陆法实验条件苛刻，成本较高，产率较低，不适合单原子催化剂的规模化实际生产；（2）金属浸出法只适用于单一特定的金属与载体, 存在很大的局限性, 限制了发展和应用。（3）湿法化学法在后处理过程中, 需要将体系中的有机前驱体去除, 这时金属单个原子会有发生聚集的趋势, 而形成亚纳米甚至纳米催化剂。（4）共沉淀法中一些金属原子会被掩埋于载体聚集界面或包裹于载体中, 在很大程度上降低了单原子催化剂的性能。（5）浸渍法很难保证金属原子以单个原子的形式均匀地分散在载体的表面。（6）原子层沉积法设备成本较高, 限制了其商业化的进程。

中国专利CN109225257 A利用沉积单原子的方法，将单分散金属原子均匀地负载在纳米衬底材料表面构成，该方法可以快速、高效、可控地沉积单原子。但该方法对设备要求很高，设备成本高，操作过程复杂，很难实现工业化应用。

美国专利US20120004098 A1，该方法包括以下步骤:制备含有催化剂和促进剂的溶液，促进剂的存在量基本上等于催化剂并具有相反的电荷；根据多孔催化剂载体材料的表面性质调节所得催化剂和促进剂溶液的酸碱度；将多孔材料浸入溶液中；从溶液中去除多孔材料；在防止毛细管效应从载体内部转移到载体外部的条件下干燥多孔溶液；最后在高温下进行催化剂煅烧即可得到单原子催化剂。但是该方法普适性很低、需添加促进剂、操作复杂且很难实现工业化生产。

中国专利CN109589978 A利用将官能团化的碳基材料加入至有机溶剂A中,再于惰性气氛下向其中滴加有机锂试剂,滴加完后于惰性气氛下反应,得到中间体产物,所述官能团化的碳基材料为羟基或/和氨基化的碳基材料；(2)将得到的中间体产物与金属氯化物于惰性气氛下分散于有机溶剂B中进行反应,得到金属单原子催化剂和氯化锂的混合物；(3)将步骤(2)所述的混合物提纯,即得到所述的金属单原子催化剂。该方法具有普适性、活性位点相对可控等特点，但是实验步骤复杂繁琐，需要严格控制反应条件，难以实现批量生产。

综上目前制备单原子催化剂的方法均具备，产量小以及难以工业化生产、成本高设备费昂贵、制备过程复杂、条件要求苛刻等缺点。

发明内容

基于目前诸多金属单原子制备方法的特点和不足，本发明的目的在于提供一种金属氧化物负载单原子催化剂的制备方法，以解决现有技术中成本昂贵、制备条件复杂、载体损耗量大、金属含量低且制备量低等问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：