[发明专利]一种单原子钴催化剂及其克级制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种单原子钴催化剂及其克级制备方法和应用，该方法首先使用醇热法将碳源和钴源形成前驱体，然后对前驱体进行高温烧制。该方法采用常见的三聚氰胺作为反应原料，使催化剂合成的成本低廉，原材料易得。该方法制得的单原子钴催化剂作为甲酸产氢催化剂时，产氢效率高且稳定，产生的氢气无污染、可回收，可替代化石燃料，是优秀的能源替代品。相较贵金属纳米催化剂和均相催化剂，该单原子钴催化剂不仅催化甲酸产出氢源，而且降低了催化剂的成本，该材料有利于进一步推动甲酸产氢工业化应用。

技术领域

本发明属于新型清洁能源技术领域，具体涉及一种单原子钴催化剂及其克级制备方法和应用。

背景技术

全球日益严重的能源危机倍受全球各国政府关注，化石燃料的快速消耗以及燃烧带来的环境污染问题正促使我们大面积探索一种可再生资源，来建设一个能源可持续发展的社会。必须克服化石燃料不可或缺的状态，用可再生能源替代化石燃料。对比研究发现，氢气能量密度高、无污染、无CO₂排放并且可回收利用，是一种十分具有发展前景的可代替化石燃料的清洁能源载体，已经引起了广泛的关注。在所探索出的产氢方法中，热力学最支持的是利用甲酸产氢。甲酸产氢被看作是创造能源可持续发展的社会时的一种有潜力的绿色可持续路径，因为氢气在甲酸中的体积储存量和质量储存量都很高，体积储存量达到53g·L^-1，质量储存量达到4.4％，能量密度达到1.77kWh·L^-1，甲酸本身无毒性并且在室温下呈液态。另外，甲酸是一种可再生有机分子，可从CO₂加氢作用和局部生物氧化的路径工业化量产。实现甲酸产氢工业化步骤，必须得发展高活性、强亲水性、低成本和超稳定性的非贵金属催化剂，但是仍旧在该领域挑战巨大。

虽然贵金属基纳米催化剂在甲酸产氢方面已经有了大量的研究，但是这些催化剂在地壳上十分缺乏，并且价格昂贵，也就很大程度的限制了大规模甲酸产氢的应用。基于工业化和经济意义的考虑，发展高效非贵金属催化剂来催化甲酸产氢也是迫在眉睫的事情。然而，非贵金属纳米催化剂在甲酸溶液中不稳定，因为非贵金属无法被浸出。因此，虽然非贵金属均相催化剂已经被发展用来催化甲酸产氢，但是由于均相催化剂会与有机溶剂互溶，将非贵金属均相催化剂从均相催化剂溶液中分离出来十分困难，这就不利于甲酸产氢工业化应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中贵金属和均相催化剂催化甲酸产氢成本高、浸出难的的缺点，提供一种单原子钴催化剂及其克级制备方法和应用。并且本发明提供的方法可以实现单次制备至少4g产物，现有技术所用的方法产量十分有限，远不及本发明的产量。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种单原子钴催化剂的克级制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将三聚氰胺和乙二醛在两口烧瓶中混匀，再加入无水乙醇，形成混合物；两口烧瓶的一个出口连接回流管，打开循环水，将两口烧瓶中的混合物加热回流，回流时两口烧瓶的另外一个出口用橡皮塞塞住；

步骤2，向两口烧瓶中加入三苯基膦和六水合硝酸钴的无水乙醇溶液，继续磁力搅拌加热回流，反应结束后，将反应烧瓶及内部的反应产物自然冷却至室温；

步骤3，将反应产物倒入离心管中，离心洗涤，得到离心产物，然后干燥，得到干燥产物；

步骤4，将干燥产物置于炉中烧制，烧制后得到单原子钴催化剂。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤1中，所述三聚氰胺和乙二醛的混合的比例为10g:12mL。

优选的，步骤1中，所述加热回流温度为80℃，加热回流时间为1h。

优选的，步骤2中，六水合硝酸钴和无水乙醇的混合比例为(0.1455～0.5820)mg:2mL；六水合硝酸钴和三聚氰胺的质量比为(0.1455～0.5820):10。