[发明专利]一种炭载双金属单原子催化剂及其制备方法

说明书

一种炭载双金属单原子催化剂及其制备方法。一种炭载双金属单原子催化剂，其特征在于，该催化剂含有铱、铑、铂、钌、金、银、铼、钴、镍、铬、锡中的两种金属，且该催化剂中两种金属分别以含羰基和卤素配体的单核络合物形式原子级单分散在炭载体表面。其制备方法为先制备炭载双金属纳米颗粒，再利用一氧化碳和含卤物质(卤素、氢卤酸或卤代烃)的一种或二种以上同时与两种金属纳米颗粒进行反应，对其进行原位原子级单分散热处理，从而制得炭载双金属单原子催化剂。本申请公开了一种炭载双金属单原子催化剂的制备方法，其工艺新颖、操作简单，普适性强，可批量制备高载量，高分散，稳定性强的炭载双金属单原子催化剂。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种碳载体负载的双金属单原子催化剂及其制备方法。

背景技术

在工业催化剂中，负载型金属催化剂占比70％以上，尤其负载型贵金属催化剂，广泛用于各种催化剂反应，如加氢异构，醋酸加氢、电化学、羰基合成、合成气转化、三效催化剂、航天催化等。在工业生产中，负载型金属催化剂往往呈现为纳米颗粒，其具有较好的热稳定性和化学稳定性，在工业生产扮演了重要的催化角色，为大宗化学品生产做出了重要的贡献。但是，对于负载纳米金属催化剂，往往只有表面暴露的原子才具有催化剂活性，这就使得其金属原子利用效率降低，尤其是资源有限的贵金属，会造成资源的浪费。

与此同时，科研人员发现，金属催化剂催化活性与其纳米尺寸、形貌、晶相等具有密切关系。负载型金属团簇催化剂的高活性归因于其金属活性组分在高比表面积载体上以高度分散的纳米团簇形式存在，可以充分利用催化活性位点，进而提高了催化剂的反应活性和金属原子利用率。为了使负载型金属催化剂上每个金属原子的催化效果达到最佳，研究者不断减小活性金属的颗粒尺寸。

最新的实验和理论研究发现，亚纳米团簇比纳米级粒子具有更好的催化活性或选择性。从理论上讲，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，这不仅是负载型金属催化剂的理想状态，而且也将催化科学带入到一个更小的研究尺度-单原子催化。对于高负载量的金属催化剂，在催化反应过程中只有极少数金属活性组分起催化作用。相比较而言，每个金属原子都作为活性位的单原子催化剂在效率上“以一当十”，而传统负载型金属催化剂的金属利用效率远远低于理想水平。特别是对于贵金属来说，大量使用无疑增加了催化剂成本，不利于在工业生产中进行规模化应用。因此，为了最大限度地发挥贵金属的催化效率，降低制造成本，制备单原子金属催化剂成为研究者的重要选择。

单原子金属催化剂，具有金属单原子级分散和单催化活性位特点，自2011年起，凭借其近100％的金属原子利用效率，更多配位不饱和位，以及理想的均相催化多相化研究模型，引起人们的广泛关注，相较于其他纳米或亚纳米催化剂而言，具有非常高的催化效率。此外，单原子金属催化剂兼具均相催化剂均匀单一的活性中心和多相催化剂稳定易分离的特点，将多相催化与均相催化联系在一起，在氧化、还原、水煤气转化、电催化等方面表现出优异的催化性能。

然而，由于单金属原子催化剂具有高的表面能、可迁移性，容易团聚，在催化反应过程中保持较高的稳定性是一个重大的挑战。这不仅限制了单原子催化剂的实际应用，也导致了其活性中心的精细结构难以解析，反应构效关系难以建立。

此外，相较于单金属活性位点催化剂，双金属活性位点催化剂更具吸引力，它不仅具有单点催化的本质特性，还具有双催化活性位点，往往表现出更佳的催化活性，可以实现不同反应的在相邻位点上的串联催化。其过程既可以表现为双活性位点协同催化，也可以表现为双活性位点接力催化。在双金属活性位点催化剂中，其不同的金属活性位点之间既能表现出协同催化，又可以表现为串联催化。