[发明专利]一种石墨相氮化碳负载原子级双金属催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种石墨相氮化碳负载原子级双金属催化剂的制备方法。通过氧化还原反应，将溶液中的镍离子和铜离子分别还原成镍铜单质，并且金属单质沉积于g‑C₃N₄载体表面，从而制得镍铜双金属催化剂。通过调节工艺参数，可以调控沉积于载体表面的双金属的负载量，并能通过控制镍铜的元素配比制得不同催化性能的催化剂，以满足不同催化环境的要求。与现有技术相比，本发明的催化剂制备方法能制备出不同镍铜配比的原子级双金属催化剂，并且实现了原子级金属负载量的可调控性。本发明采用的原子级双金属催化剂的制备方法具有简单易行、条件温和，适用于规模化生产的特点。

技术领域

本发明属于催化技术领域，涉及一种原子级双金属负载型催化剂的制备方法及其在选择催化、催化析氢、光催化降解中的应用。

背景技术

(1)催化剂中有效催化活性位点是决定催化剂性能的根本原因。负载型金属催化剂分散的极限是金属以单原子的形式均匀分布在载体上。对于传统的高负载量金属催化剂，在催化反应过程中只有极少数金属活性组分发挥催化作用，其利用效率远低于理想水平，对于贵金属催化剂来讲，其成本过高，不利于在工业生产中的规模化应用。当催化剂颗粒分散度达到原子级尺寸时，会引起很多不同于纳米或亚纳米级粒子的特性，故原子级金属催化剂表现出优异的催化活性和选择性。原子级金属催化剂可应用于多种催化反应，如CO氧化及选择性氧化、加氢及选择性加氢、NO还原与氧化、水煤气变换、有机合成、甲醇水蒸气重整、燃料电池、光电催化、甲醛氧化等，在工业催化中具有巨大的应用潜能。本发明利用氧化还原反应，在石墨相氮化碳(g-C₃N₄)载体表面制备原子级NiCu双金属催化剂，并且通过调节工艺参数控制Ni和Cu元素配比，制备出满足不同应用要求的催化剂。本发明提供的催化剂制备方法简单可行、条件温和，适用于规模化生产。

(2)g-C₃N₄具有独特的电子结构、高的化学稳定性和热稳定性等诸多优势。但是，由于g-C₃N₄比表面积小、表面活性位点少、可见光响应范围较窄、光生载流子易复合等严重降低了其催化活性，故需对其进行改性以优化性能。通过增加g-C₃N₄的比表面积、离子掺杂、半导体复合等方式来提高其催化性能。本发明以g-C₃N₄为载体，将Ni和Cu原子沉积于载体表面，一方面能体现原子级金属的催化性能，另一方面通过金属掺杂提升了g-C₃N₄的催化性能。通过控制Ni和Cu的负载比例，调整催化剂的催化性能，制备出适合不同催化环境的催化剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种负载于石墨相氮化碳载体表面的原子级NiCu双金属催化剂的制备方法。通过氧化还原反应，将溶液中的Ni离子和Cu离子还原为Ni原子和Cu原子，Ni 和Cu沉积于载体表面，从而制得原子级双金属催化剂。该制备方法最大程度地将金属元素的活性位点暴露出来，提高了催化剂的催化效率，降低了催化剂成本。并且可以通过改变Ni 原子和Cu原子在g-C₃N₄表面的负载量和元素配比，制得具有不同催化性能的催化剂。

本发明所述的原子级双金属催化剂的制备方法包括以下步骤：

(1)将5～500mL的去离子水加热至30～85℃后，加入0.1～20g硼酸、0.1～20g柠檬酸、0.01～10 g甘氨酸、0.1～20g无机镍盐、0.1～20g无机铜盐，充分搅拌，待固体物质完全溶解后，停止加热，自然冷却至室温，制得溶液A；

(2)通过氢氧化钠溶液调节溶液A的pH值为6～12范围，制得溶液B；

(3)将溶液B加热至30～85℃后，向溶液B中加入0.1～10g的g-C₃N₄粉末，在30～85℃下搅拌10～60min后，制得溶液C；