[发明专利]一种石墨烯负载过渡族金属单分散原子催化剂及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种石墨烯负载过渡族金属单分散原子催化剂，其特征在于：由以下重量份数的原料制成：

石墨烯：1-5质量份，

脂肪酸过渡族金属复合物：5-50质量份，

含氨基有机化合物：5-50质量份；

石墨烯原料应具有以下技术参数：石墨烯厚度＜5 nm，横向尺寸0.3～50 μm，晶体结构完整；所述的石墨烯，包含电化学剥离石墨烯、氧化石墨烯、机械剥离石墨烯中的一种或几种；所述的含氨基有机化合物包含三聚氰胺、尿素、乙二胺、氰胺、双氰胺、盐酸胍、2,3－二氨基吡啶、邻苯二胺、1,2-环己二胺中的一种或几种；

其中，脂肪酸过渡族金属复合物由脂肪酸金属盐与过渡族金属盐发生液相离子交换反应制得：将脂肪酸金属盐与过渡族金属盐进行液相离子交换反应，制备脂肪酸过渡族金属复合物，作为后续单分散过渡族金属原子前躯体；

所述的脂肪酸金属盐包括油酸钠、油酸钾、亚油酸钠、棕榈酸钠、棕榈酸钾、花生四烯酸钠、硬脂酸钠、硬脂酸钾中的一种或几种；

所述的过渡族金属盐包含氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁、氯化钴、硫酸钴、硝酸钴、氯化镍、硫酸镍、硝酸镍、 氯化锰、硫酸锰、 氯化锌、硫酸锌、硝酸锌、氯化铜、硫酸铜、硝酸铜中的一种或几种；

所述的石墨烯负载过渡族金属单分散原子催化剂的制备方法，包含以下步骤：

（1）将脂肪酸金属盐与过渡族金属盐进行液相离子交换反应，制备脂肪酸过渡族金属复合物，作为后续单分散过渡族金属原子前躯体；

所述的脂肪酸金属盐与过渡族金属盐的摩尔比为1-10：1，反应温度在60-90℃，加冷凝管回流，反应时间在2-6 h；

（2）使脂肪酸过渡族金属复合物和含氨基有机化合物混合后均匀包覆于石墨烯微片上；后经程序化热处理完成油相物质的热解，过渡族金属氧化物/碳核壳结构的形成和单分散过渡族金属原子的形成与钉扎；

（3）酸洗去除核壳结构中的过渡族金属氧化物和其他杂质，经水洗纯化、固液分离、干燥后得到石墨烯负载过渡族金属单分散原子复合材料。

2.根据权利要求1所述的石墨烯负载过渡族金属单分散原子催化剂，其特征在于：步骤（1）所述的液相离子交换反应，使用了混合组成的两组溶剂，第一组溶剂包括正己烷、正戊烷、石油醚中的一种或几种的混合，第二组溶剂包括乙醇、水、异丙醇中的一种或几种的混合；其中使用第一组溶剂与第二组溶剂的体积比为2-5：1。

3.根据权利要求1所述的石墨烯负载过渡族金属单分散原子催化剂，其特征在于：步骤（2）所述的脂肪酸过渡族金属复合物，含氨基有机化合物与石墨烯微片混合方式为固相混合或液相混合。

4.根据权利要求3所述的石墨烯负载过渡族金属单分散原子催化剂，其特征在于：混合方式包含球磨、机械搅拌或研钵搅拌的一种。

5.根据权利要求3所述的石墨烯负载过渡族金属单分散原子催化剂，其特征在于：所述的液相混合为：添加1-50质量份的分散剂，分散剂包含正己烷、正戊烷、石油醚中的一种或几种；加入分散剂后再进行磁力搅拌或超声震荡，超声频率为100-1000W，时间为30 min~3h，搅拌温度为室温~60℃；

液相混合后，对包覆石墨烯分散液混合物进行干燥，干燥方式为烘箱干燥或真空干燥，干燥温度在60-90℃。

6.根据权利要求1所述的石墨烯负载过渡族金属单分散原子催化剂，其特征在于：步骤（2）所述程序化热处理包含下列步骤：第一段从室温至T1，升温速率为5-10 ℃/min，在该T1温度下保持 0.5-2.0 h，T1温度区间为100-150 ℃；第二阶段从T1升温至T2，升温速率为5-10 ℃/min，在该T2温度下保持 1.5 - 3.0 h，T2温度区间为600-1000℃；第三阶段随炉冷却至室温，全程采用氮气或氩气保护，气体流速为0.1-1.0 mL/min 。