[发明专利]一种氮化碳负载单原子金属催化材料的制备方法

说明书

本发明主要涉及一种氮化碳负载单原子金属催化材料的制备方法，具体是一种层状石墨相氮化碳负载单原子金属M催化材料(M为Ag、Pd、Rh、Pt中的一种或二种以上)的制备方法，属于催化材料领域。本发明采用金属前驱体和碳氮前驱体络合的方式，通过金属中心和配体之间的相互作用抑制金属原子的团聚，一步热解碳氮前驱体和金属前驱体制备氮化碳负载单原子金属催化材料，提高了单原子金属催化材料的稳定性和分散性。该方法制备的材料中金属以零价态单原子分散的形式负载在层状石墨相氮化碳的表面，负载金属原子的种类和组分可根据需要进行调控。

技术领域

本发明主要涉及一种氮化碳负载单原子金属催化材料的制备方法，具体是一种层状石墨相氮化碳负载单原子金属M催化材料(M为Ag、Pd、Rh、Pt中的一种或二种以上)的制备方法，属于催化材料领域。

背景技术：

单原子催化对于催化剂的实际应用具有重要意义(X.Yang,A.Wang,B.Qiao,J.Li,J.Liu,T.Zhang.Accounts of Chemical Research,2013,46,1740-1748.)。全球每年铂产量的50％都用于汽车尾气净化系统的三效转化器。燃料电池电极催化剂、石油化工中催化重整选择加氢，以及各种精细化学品的合成都大量依赖高效的负载型铂、钯等贵金属催化剂。Ag、Pd、Rh和Pt等元素在石油化工等多个领域的催化转化反应中具有重要的应用，这些元素的单原子催化剂的制备方法的研发能大大降低催化剂成本，提高生产效率。

当金属单原子在制备和反应过程中极易发生团聚，导致催化剂失活。因此，金属单原子催化剂的制备必须借助一种性能优异的载体。g-C₃N₄是一种仅由C和N构成的聚合物材料，简单的组分构成使得对g-C₃N₄的性质调控可以通过简单的方法进行，而不用显著改变总组分。g-C₃N₄的聚合物性质使对g-C₃N₄的表面化学调控可以通过分子水平修饰和表面工程进行，同时保证了它的结构具有足够的灵活性，使g-C₃N₄可以作为各种无机纳米粒子的主体基质，从而可制备g-C₃N₄基复合材料(W.Ong,L.Tan,Y.Ng,S.Yong,S.Chai.ChemicalReviews,2016,116,7159-7329.)。

因此，我们开发一种一步热解碳氮前驱体和金属前驱体制备氮化碳负载单原子金属催化材料的新方法。该材料中金属以零价态单原子分散的形式负载在层状石墨相氮化碳的表面，负载金属原子的种类和组分可根据需要进行调控。

发明内容

本发明提供了一种氮化碳负载单原子金属催化材料的制备方法。所制备的催化剂中单金属原子分散性好，稳定性高。本方法具有简单、易于控制的特点，能够大量制备氮化碳负载单原子金属催化材料。

本发明所采用的技术方案为：一种氮化碳负载单原子金属催化材料的制备方法，其特征在于：

(1)将碳氮前驱体溶解于溶剂中制成溶液A，将金属前驱体溶解于溶剂中制成溶液B；

(2)将溶液B加入溶液A中，在特殊气氛下加热至20-150℃进行混合搅拌6-36h，然后自然冷却至室温；

(3)将步骤(2)溶液除去溶剂得到固态金属碳氮加合物，研磨至80目以下；

(4)将步骤(3)得到的固体粉末置入马弗炉或管式炉中，在特殊气氛下进行程序升温热解处理，然后自然冷却至室温，研磨至80目以下；

(5)将步骤(4)得到的固体粉末置于马弗炉或管式炉中，在特殊气氛下以10℃/min的速率加热至450-550℃，保持1h，然后自然冷却至室温，得到氮化碳负载单原子金属催化材料；