[发明专利]一种金属原子级分散催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种金属原子级分散催化剂的制备方法，包括如下步骤：环境条件下，将活性炭和2,2‑二噻吩混合充分研磨；然后将研磨后的粉末置于Nsubgt;2/subgt;气氛下保持1‑3h，得到硫掺杂的碳材料，待用；在离心管中，将硫掺杂的碳材料在去离子水中超声均匀，得到溶液A，再将金属前驱体溶于去离子水中溶液B；然后将溶液B滴入装有溶液A的离心管中混合，混合物搅拌混合，然后离心分离，清洗离心分离固体；将离心分离固体经过真空干燥，得到原子分散的金属催化剂；用盐酸洗涤，得到金属单原子催化剂。本发明所得金属原子级分散催化剂的主要成分为包括亚纳米团簇和单原子；且该催化剂中纳米团簇没有晶格条纹，为无定形特征，厚度约为一个原子层厚度。

技术领域

本发明属于催化剂制备领域，尤其是涉及一种金属原子级分散催化剂的制备方法。

背景技术

精细化学品是化工生产中至关重要的高附加值产品，涉及到生产和生活的方方面面。其中醛类化学品是农药、医药、香料等产品的重要化学原料。比如从应用角度来分析，缩和反应涉及醛类化学品的应用，如制备可塑剂和多羟基化合物、还原反应制备醇等。因此，提高醛类物质的制备以及转化十分重要，羰基化反应又称加氢甲酰化反应或羰基合成是烯烃制备醛类物质的重要反应。通过在有机化合物分子中引入羰基，是制备醛、酮等羰基化合物的重要方法。目前，Ir、Rh等过渡金属络合物在催化烯烃加CO和H₂生成醛的氢甲酰化反应中起到了主要作用。然而，传统的均相催化剂在反应过程中难以分离，导致生产成本升高。非均相催化剂，尤其是原子级分散催化剂，由于具有非均相催化剂与均相催化剂的有点，在羰基化反应中不仅能保持高活性，还容易与产物分离，从而备受关注。因此开发原子级分散的Rh、Ir等非均相催化剂迫在眉睫。

此外，氢气(H₂)作为一种能量密度高、来源广的绿色能源，被认为在未来是传统化石燃料的理想替代者。可持续能源驱动的电解水技术被认为是一种环保、节能的制氢方案。目前，商业制氢催化剂主要是Pt/C，纯贵金属的使用极大提高了制氢成本，增加了氢能的价格。原子级分散催化剂通常具有最高的原子利用率，能极大减少贵金属的使用，还能提高催化效率。因此开发Pt原子级分散催化剂以及制备可替代Pt/C的非Pt原子级分散催化剂对于电化学制氢过程尤为关键。Ru、Mo等金属的价格远远低于Pt金属，同时在析氢反应中也具有良好的性能。开发Ru、Mo原子级分散催化剂代替商业Pt/C对于氢能的发展与推广十分重要。

令人印象深刻的是，浸渍法是大规模生产催化剂的最有潜力的方法，因为它操作简单，不使用封端剂和有机溶剂。然而，由于传统浸渍法涉及到高温处理，这极大增加了工业生产中的能量消耗。同时，在高温处理下金属原子将存在热聚集行为，导致样品中纳米颗粒总是与单个原子共存。因此，迫切需要开发一种简便、通用的方法来合成原子级分散催化剂。本发明采用常温浸渍策略合成的Rh、Ir原子级分散催化剂在烯烃羰基化反应中具有重要的研究价值，而Ru、Pt、Au、Mo等金属原子级分散催化剂在电解水技术中将扮演着重要角色。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种金属原子级分散催化剂的制备方法；该制备方法工艺简单，仅需要简易的搅拌、干燥过程便可以实现Ru、Rh、Ir、Pt、Au、Mo等金属原子级分散催化剂的制备，本发明所得金属原子级分散催化剂的主要成分为包括亚纳米团簇和单原子；且该催化剂中纳米团簇没有晶格条纹，为无定形特征，厚度约为一个原子层厚度。

为解决上述第一个技术问题，发明采用如下的技术方案：

一种金属原子级分散催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)环境条件下，将活性炭和2,2-二噻吩混合充分研磨；然后将研磨后的粉末置于N₂气氛下750-850℃保持1-3h，得到硫掺杂的碳材料(以后简称：CS)，待用；

2)在离心管中，将硫掺杂的碳材料在去离子水中超声均匀，得到溶液A，再将金属前驱体溶于去离子水中溶液B；然后将溶液B滴入装有溶液A的离心管中混合，混合物搅拌混合4-8h，然后离心分离，并用去离子水清洗离心分离固体；