[发明专利]一种非贵金属单原子催化剂的可控制备方法

说明书

本发明公开了一种非贵金属单原子催化剂的可控制备方法，其解决了现有技术中尚没有非贵金属单原子催化剂的制备方法的问题，降低了催化剂成本，提高了原子利用率，制备的单原子催化剂具有催化活性高、稳定性强等优点。其技术方案为：包括如下步骤：1)利用混酸氧化法在多孔载体材料上制得含氧官能基团；2)将氧化后的多孔载体分散液与非贵金属盐的水溶液混合，非贵金属阳离子与多孔载体上的含氧官能基团发生定点反应，负载到多孔材料上；3)采用还原剂对负载到多孔材料上的非贵金属阳离子进行原位还原，制备得到非贵金属单原子催化剂。

技术领域

本发明属于高效工业催化剂制备技术领域，具体涉及一种非贵金属单原子催化剂的可控制备方法，利用官能化载体与铜、铁等非贵金属盐定点反应，然后用强还原剂原位还原，将载体上负载的金属阳离子转换成金属单原子，实现非贵金属单原子催化剂的可控制备。

背景技术

单原子催化剂是多相催化领域一个新兴的研究热点，是指催化剂中活性组分完全以孤立的单个原子的形式存在，并通过与载体作用或与第二种金属形成合金得以稳定。相比于纳米/亚纳米催化剂，单原子催化剂具有诸多优势：(1)活性组分达到最大程度分散(100％)，可有效提高金属(特别是贵金属)原子利用率；(2)活性位点的组成和结构单一，可避免因活性组分组成和结构不均匀导致的副反应，从而显著提高目标产物的选择性；(3)单原子催化剂兼具高活性、高选择性和可循环使用的优点，有望成为连接均相催化与非均相催化的桥梁。因此，单原子催化剂为在原子尺度上理解催化机理和构效关系提供了一个很好的平台。

2011年，中科院大连化学物理研究所张涛院士领导的团队及合作者大胆突破传统思维，首次制备出单原子Pt₁/FeO_X催化剂，并以CO氧化为探针反应结合理论计算详细研究了单原子催化的机理，并第一次在学术上提出“单原子催化”的观点。在单原子催化剂概念提出的短短几年里，它已经成为目前多相催化领域的研究热点，在催化领域展现出了非常巨大的潜力。我国多家单位课题组以及美国加州大学、加拿大西安大略大学、英国剑桥大学、阿斯顿大学、瑞士联邦理工学院、日本国家材料科学研究所等单位都相继开展了单原子催化剂的制备与催化性能研究工作，发展出许多新的单原子催化剂制备方法。但目前还没有一个比较普适的方法来合成单原子催化剂，也只有个别课题组通过不断的摸索在一些特殊的载体上能够合成出相对比较均匀的单分散的单原子催化剂。因此，单原子催化剂面临的首要挑战，是如何制备出孤立的并能稳定存在的金属单原子。由于单个原子具有较高的表面能，为避免团聚，制备的单原子催化剂负载量往往较低(<0.5wt％)；另一方面，载体与金属单原子之间存在着微妙的金属-载体界面协同效应，但实际催化剂却存在着其界面精细结构表征难、构-效关系本质难被揭示的特点，这是单原子催化剂研究工作的另一个巨大挑战。

综上所述，现有技术中对于非贵金属单原子催化剂的制备，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种非贵金属单原子催化剂的可控制备方法。该方法利用定点单原子沉积法制备非贵金属单原子催化剂，降低了催化剂成本，提高了原子利用率，具有催化活性高，稳定性强等优点，以结构、组成可调控的负载型铜、铁基单原子颗粒为模型催化剂来深入研究催化剂的复杂界面效应，这一策略也适用于其他催化体系的研究，将有助于开发更为高效、低廉的实用非贵金属催化剂。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种非贵金属单原子催化剂的可控制备方法，包括如下步骤：

1)利用混酸氧化法在多孔载体材料上制得含氧官能基团；

2)将氧化后的多孔载体分散液与非贵金属盐的水溶液混合，非贵金属阳离子与多孔载体上的含氧官能基团发生定点反应，负载到多孔材料上；

3)采用还原剂对负载到多孔材料上的非贵金属阳离子进行原位还原，制备得到非贵金属单原子催化剂。