[发明专利]一种表面负载单原子催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于催化剂合成领域，公开了一种表面负载单原子催化剂及其制备方法。该制备方法包括：将单原子元素前驱体、载体前驱体、液体燃料混合均匀，得到前驱体溶液；将前驱体溶液雾化之后在助燃气的辅助下点燃，形成高温火焰，前驱体在高温火焰中发生热解，得到表面负载单原子的催化剂；助燃气为氧气、空气或氧气与惰性气体的混合气，燃烧当量比φ为1‑1.5。本发明能够一步快速合成表面负载单原子的催化剂；所使用的前驱体范围广泛，可灵活进行组合；可以调控氧化/还原气氛调节负载元素的氧化态；合成的单原子催化剂具有很好的热稳定性；合成的表面负载单原子催化剂在光催化制氢、催化加氢、催化燃烧等催化领域获得了极高的催化活性。

技术领域

本发明属于催化剂合成领域，涉及一种表面负载单原子催化剂及其制备方法，更具体地，涉及一种利用火焰喷雾热解技术合成表面负载单原子催化剂的方法。

背景技术

贵金属催化剂在光催化制氢、催化加氢、催化燃烧等多种催化反应中具有优异的性能，但是贵金属的储量少、价格贵，限制了它的大规模应用。为了更加经济、高效地利用贵金属催化剂，贵金属的负载形式从纳米团簇到亚纳米团簇甚至单原子，不断减小尺寸提高原子利用率。单原子催化剂被认为是金属的极限负载形式，理想情况下能够让每个金属原子都参与催化反应。但一般情况下只有在载体表面上的活性金属原子才能接触到反应底物，因此在单原子催化剂的制备方面需要考虑让尽可能多的金属原子负载在表面。

目前的单原子催化剂制备技术还存在一些问题，比如沉淀法、浸渍法、液相合成法等，其工艺流程复杂，产生大量的污水，在干燥、煅烧阶段消耗大量能量。此外，在制备过程中一部分活性金属原子掺杂在载体晶格内部难以接触反应底物(表面化问题)，在煅烧阶段活性金属原子容易迁移、聚集，进而长大成团簇或颗粒(稳定性问题)。火焰喷雾热解技术能够连续自动化生产，一步合成高纯度且粒径均匀的纳米颗粒，而且不产生废水、废渣，非常适合规模放大，适合于设计和制备表面负载单原子催化剂。

中国发明专利CN108993532A“一种纳米二氧化钛复合颗粒及其制备方法”中描述了一种利用喷雾燃烧法制备亚纳米级别的Pt负载二氧化钛复合颗粒的方法，利用该方法获得的亚纳米级别的Pt粒径尺寸为0.5nm～1.2nm，粒径尺寸范围较宽，整体上是以Pt团簇的形式存在，含有大量的Pt-Pt键，不适合获得单原子级的负载催化剂，贵金属利用率不高，催化效率难以进一步提升，不能够满足光催化制氢的实际应用需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种表面负载单原子催化剂及其制备方法，其目的在于，通过火焰温度场和氧气当量比的调节，有序地控制火焰内纳米颗粒的生长过程，包括载体颗粒的成核、凝并、烧结，以及活性金属组分在载体颗粒表面的沉积，从而获得原子级精度的金属单原子负载催化剂，由此解决现有催化剂光催化效率不高的技术问题，适合于设计和制备各种表面负载单原子催化剂。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种表面负载单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将单原子元素前驱体、载体前驱体、液体燃料充分混合，得到反应所需的前驱体溶液；其中，单原子元素前驱体内的负载元素氧化物与载体前驱体内的载体氧化物摩尔比为1:(50～10000)；

步骤2：将前驱体溶液雾化分散成微小液滴；

步骤3：雾化的前驱体微小液滴被点燃，微小液滴中的液体燃料燃烧，形成高温火焰，该高温火焰的中心温度为1800K～3000K且高于负载元素氧化物的沸点；燃烧过程中的助燃气为氧气、空气或氧气与惰性气体的混合气，燃烧当量比φ为1-1.5；

燃烧当量比φ＝助燃气中O₂燃烧当量/前驱体溶液燃烧当量；