[发明专利]一种单原子催化剂及其在二氧化碳加氢反应中的应用

说明书

本发明公开了一种单原子催化剂及其在二氧化碳加氢反应中的应用，属于二氧化碳转化技术领域。本发明采用二氧化铈、氧化锌、二氧化锆、三氧化二铬等作为载体，单原子的Pd、In、Cu、Au为活性组分；其中催化剂载体重量占催化剂总重量的95％～99.9％，活性组分重量占催化剂总重量的0.01％‑5％。本发明中的催化剂制备方法简单，通过调整反应条件可以选择性生成甲醇或者一氧化碳，且甲醇或者CO的选择性很高，均能达到90％以上，具有广阔的工业化应用前景。

技术领域

本发明涉及一种单原子催化剂及其在二氧化碳加氢反应中的应用，属于二氧化碳转化技术领域。

背景技术

CO₂是重要的温室气体，会引发一系列严峻的环境问题，如气候异常、全球变暖、海洋酸化、冰川消融、生态破坏等。它的减排以及催化转化已经引起全世界的关注，其中利用太阳能等可再生能源通过光催化、光电催化制氢，并将其用于二氧化碳的加氢以合成CO、甲醇等化工原料是二氧化碳利用的有效途径之一。CO是最为常见的碳一基础原料，其加氢可以直接合成烯烃、芳烃、汽油、柴油、航空煤油等基础化学品和燃料。甲醇是重要的基础化工原料，通过甲醇可以制取烯烃、芳烃等大宗化学品以及汽油柴油等，也可以直接用作燃料或燃料添加剂。

目前使用的二氧化碳加氢制甲醇的催化剂主要是在一氧化碳加氢制甲醇催化剂的基础上开发出来的，以Cu-Zn催化剂为主，主要选用载体包括SiO₂、Al₂O₃、TiO₂等，制备方法也大都以浸渍法或者共沉淀方法为主，但这类催化剂的催化性能不甚理想，存在CO₂转化率低、甲醇选择性不高等问题。除此之外，最近还有一些新型金属氧化物催化剂的报道，比如Zr-Cd、Zr-Ga、Cr-Zn、Cr-Zr复合氧化物催化剂，这类催化剂虽然甲醇选择性比较高，可达80％，但活性不太理想，高活性、高选择性催化剂的开发仍然是目前研究的热点。

单原子催化剂在许多选择性加氢反应中表现出了较高的反应活性，比如肉桂醛上包含C＝C双键和C＝O双键，使用单原子催化剂可以有效地将不容易加氢的C＝O双键加氢，而C＝C双键保持不变。此外，在C≡C选择性加氢变为C＝C的反应中，单原子催化剂也表现出了优异的选择性。目前并没有单原子催化剂在二氧化碳加氢制甲醇中的应用，在二氧化碳加氢的反应中，加氢产物主要有三种，CO、甲醇和甲烷，高选择性地得到某一种产物是研究的关键所在。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种单原子催化剂用于二氧化碳加氢反应，通过调节反应条件，能够高选择性地得到甲醇或CO两种产物，且该催化剂的制备方法简单，具有工业化应用前景。

本发明的第一个目的是提供一种单原子催化剂，所述催化剂是由活性组分和载体组成，其中活性组分为Pd、Cu、Au、In中的一种或两种以上；载体为CeO₂、ZrO₂、ZnO、Cr₂O₃中的一种或两种以上；

其中，活性组分在载体上呈单原子分散状态，其含量占催化剂总质量的0.01％～5％；载体占催化剂总质量的95％～99.99％。

在本发明的一种实施方式中，活性组分的含量占催化剂总质量的0.1％～1％；载体占催化剂总质量的99％～99.9％。

本发明的第二个目的是提供制备上述单原子催化剂的方法，所述制备方法如下：

将活性组分前驱体和载体前驱体混合后放入球磨机中，设定球磨机转速为200～800rpm，球磨时间5～30h；然后将球磨后得到的固体粉末于200～500℃下焙烧1～15h，得到催化剂。

在本发明的一种实施方式中，所述制备方法中活性组分前驱体和载体前驱体的质量比为1:100～1:1000。