[发明专利]非热解单原子合金催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种非热解单原子合金催化剂及其制备方法。催化剂以一种金属元素作为载体，活性金属元素以单原子形式负载在金属载体上；催化剂中金属单原子质量百分含量为0.1wt％～30wt％。所述催化剂的合成方法包括以下步骤：1)将活性金属元素的金属盐和载体金属粉末进行球磨；2)将球磨后得到的粉末进行真空抽滤清洗，烘干后得到M₁M₂‑SAAs，其中M₁是步骤1)中金属盐的活性金属元素，M₂是步骤1)中载体的金属元素，SAAs是单原子合金的缩写。所制备的催化剂在电解水中的应用。本发明采用球磨的非热解方法，合成过程极为简单，可有效调控金属的负载成分和负载量，可大规模制备出不同组成的单原子合金催化剂。

技术领域

本发明属于单原子催化剂技术领域，涉及单原子合金及其制备工艺，特别涉及一种非热解单原子合金催化剂及其制备方法。

背景技术

目前，过渡金属元素以及部分其他主族元素在降低催化反应的过电位和增大反应电流方面具有很大的优势，被广泛用于催化剂的开发和应用。这些金属，如Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Hf、Ta、W、Os、Ir、Pt、Au、La、Ce、Pr、Sm、Gd、Dy、Er、Lu等，在大多数催化剂中以纳米颗粒的形式存在，在一定程度上限制了催化效果，并且，降低催化剂的制备成本和使用更简易的合成方法也是当前研究的重点之一。

单原子合金催化剂(SAAs)是一种将活性金属以原子级别高度分散在载体金属表面的合金催化剂。这种具有双金属或多金属的合金催化剂(M₁M₂-SAAs)具有最大化的原子利用效率、高催化活性和高反应选择性等，并且合金元素之间能够产生协同催化、更大的电流密度和更稳定的结构等优势，在水电解、硝酸根电还原、二氧化碳电催化等领域有广泛的应用。传统的单原子合金制备方法包括液相合成、物理或化学沉积、电化学沉积等，合成过程比较繁琐，且合成过程一般涉及到高温加热。由于单原子具有高的表面能和容易迁移团聚等特点，这可能影响了其催化性能。

机械球磨法是一种高效的催化剂合成方法。通过将一定量的两种或多种反应物装入球磨罐中，施加机械力来诱发化学固相反应。不仅避免了溶剂的使用和繁琐的操作过程。更重要的是，这种合成方法操作非常简单，不需要高温热解，而且活性金属元素的含量调节方便，可规模化量产等优势。

申请号为201810697403.4的中国专利采用一锅法机械球磨制备碳氮基单原子铁催化剂。它将氧化锌，2-乙基咪唑，硫酸铵和铁卟啉进行球磨，再将产物高温热解，形成具有氮掺杂的多孔碳载体，铁卟啉分子形成单原子Fe-Nx结构被固定在孔洞结构中。该方法仅使用极微量的有机溶剂，方法简便、安全、绿色环保，适用于较大规模生产。所得到的碳氮基单原子铁催化剂在碱性条件下对氧还原反应有很高的电催化活性和稳定性。申请号为201910409612.9的中国专利使用高能球磨机制备了高熵合金型电催化剂，它将主体过渡金属粉末、辅助过渡金属粉末和碳纳米管混合均匀的粉末进行间歇性球磨，得到高熵合金型电催化析氧反应催化剂。该催化剂表现出很低的过点位和极其稳定的催化性能。申请号为202210500858.9的中国专利采用行星球磨机制备了碳负载钯-锌双金属氧化物电催化剂，它将乙酰丙酮锌和乙酰丙酮钯进行机械球磨，将球磨产物在瓷舟中使用氮气氛围下进行煅烧，最后将产物充分研磨，得到碳负载钯-锌双金属氧化物电催化剂。该合成方法得到的催化剂的贵金属负载量很低，整体机械性能好，无污染，具有良好的电催化制备双氧水性能。

然而，到目前还未见到制备负载量可控、制备方法简单和可批量生产的非热解单原子合金催化剂的制备方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种非热解单原子合金催化剂及其制备方法，以期解决当前单原子合金催化剂制备过程复杂、负载量难以控制以及难以批量生产的问题的其中之一或者全部。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：