[发明专利]一种高负载量金属单原子催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于单原子催化剂的制备技术领域，公开一种高负载量金属单原子催化剂及其制备方法。所述催化剂以氮掺杂碳材料为载体，金属以单原子形式均匀负载在载体上；所述催化剂中，金属的负载量为10~35 wt%。制备方法：（1）、将碳点、有机溶剂、金属盐、S源有机配体和石墨相氮化碳前驱体混合均匀得到反应液，蒸发有机溶剂、干燥，得到固体粉末；（2）、将步骤（1）得到的固体粉末在保护气氛下升温至煅烧温度，煅烧结束后降至室温，得到本发明高负载量金属单原子催化剂。本发明制备方法具有普适性，提高了金属利用率，降低了制备成本，减少了制备过程中的污染，其制备流程简单，周期短、能耗低，重现性好，环境友好，适用多种金属，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于单原子催化剂的制备技术领域，具体涉及一种金属单原子催化剂及其制备方法。

背景技术

均相催化剂和非均相催化剂作为两类催化剂在化学工业中获得了广泛的应用，它们分别有其各自的特点和优势。均相催化剂具有活性位点均一、原子利用率高、活性位点容易调节的优点，但是其稳定性差且与反应物难以分离。而非均相催化剂稳定性高，易于与反应物分离，但是其原子利用率低，只有表面的原子能够与反应物接触参与催化反应。如何能够结合两类催化剂的优势是催化研究的热点和难题。

单原子催化剂因为其具有将近100%的原子利用率、活性位点方便调节、容易与反应物分离等优势被认为是沟通均相催化剂和非均相催化剂的桥梁。2011年，中科院大连化物所张涛课题组成功制备了单原子Pt/FeOx催化剂，并首次提出了“单原子催化”的概念(Nat.Chem.2011,3,634-640)。该催化剂在CO氧化和CO选择性氧化反应中表现出很高的催化活性和稳定性。随后，金属单原子催化剂在电催化产氢、氧还原、CO₂转化等领域得到了广泛关注和研究。除了优异的催化性能，单原子材料结构的简单性和均质性有助于活性位点的精确识别和表征，为从分子层次认识催化反应的机理提供了理想的模型和研究平台，并有助于在原子尺度上为目标反应实现合理的催化剂设计。单原子催化剂有望成为具有工业催化应用潜力的新型催化剂。

尽管金属单原子催化剂具有诸多优势，其面临的一个主要挑战是单原子活性位点的低浓度，这很大程度上限制了其催化活性和应用。由于单原子活泼且具有超高的表面自由能，孤立的单个金属原子很容易迁移和聚集成粒子。另外，金属单原子催化剂的制备通常需要高温(例如超过700 ℃)，而在高温条件下金属原子更容易迁移和聚集，并且金属氧化物中稳定单原子的位点有限。因此，在实际的合成和反应条件下制备高金属负载量的单原子催化剂并保持金属原子的分散性非常具有挑战性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种高负载量金属单原子催化剂及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种高负载量金属单原子催化剂，以氮掺杂碳材料为载体，金属以单原子形式均匀负载在载体上；所述催化剂中，金属的负载量为10~35 wt%（金属占整个催化剂的质量百分比）。

较好地，所述金属为过渡金属。

较好地，所述过渡金属为Ni、Cu、Sc、Ti、Cr、Ga、Y、Zr、In、Sn、La、Ce、Dy、Er、Yb、Lu或Pt。

所述高负载量金属单原子催化剂的制备方法，步骤如下：

（1）、将碳点、有机溶剂、金属盐、S源有机配体和石墨相氮化碳前驱体混合均匀得到反应液，蒸发有机溶剂、干燥，得到固体粉末；

（2）、将步骤（1）得到的固体粉末在保护气氛下升温至煅烧温度，煅烧结束后降至室温，得到本发明高负载量金属单原子催化剂。

较好地，步骤（1）中，碳点∶有机溶剂=（0.4~1）g∶（80~200）mL，反应液中金属盐的摩尔浓度为0~0.2 mol/L，所述S源有机配体的摩尔浓度为0~2 mol/L，S源有机配体与石墨相氮化碳前驱体的质量比为1∶（3~10）；其中，反应液中金属盐和S源有机配体的摩尔浓度均不为0。