[发明专利]一种以Fe-MOFs为前驱体可控制备单原子和原子簇铁催化剂

说明书

本发明公开了一种以Fe‑MOFs为前驱体可控制备单原子和原子簇铁催化剂，利用Fe³⁺和富马酸制成Fe‑MOFs,然后以其为前驱体在氮气中煅烧，将金属阳离子Fe³⁺转换成单原子和原子簇金属铁，实现非贵金属单原子铁和原子簇铁催化剂的可控制备。本发明所提供的Fe‑SA‑C材料可能具有良好的催化性能，而且成本低廉、原料丰富、制备方法简单，适合大规模生产应用。

技术领域

本发明涉及无机功能材料制备技术领域，尤其涉及一种以Fe-MOFs为前驱体可控制备单原子和原子簇铁催化剂。

背景技术

单原子催化(Single-Atom Catalysis，SAC)，可实现金属原子利用率的最大化，降低催化剂成本，因而具备极其重要的意义。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而导致的副反应，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。单原子催化剂同时具备均相催化剂“孤立位点”、多相催化剂结构稳定、易分离的优点，拥有桥连多相催化和均相催化的巨大潜力。

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氧化为探针反应并结合理论计算详细研究了单原子金属催化的机理，并第一次在学术上提出“单原子催化”的观点，单原子金属催化受到科研工作者的热切关注。近年来，单原子金属催化更是魅力四射，大放异彩。例如，单原子金属催化剂可应用于CO选择性氧化反应、甲烷无氧制乙烯及芳构化、水汽变换反应、芳香硝基化合物的选择性加氢反应。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金属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金属催化剂制备方法。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，单原子金属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单原子金属。由于单个原子具有较高的表面能，为避免团聚，制备的单原子金属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，这是单原子金属催化剂研究工作的另一个巨大挑战。

综上所述，现有技术中对于单原子金属催化剂的制备，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，本发明提供了一种单原子金属催化剂的可控制备方法。该方法利用Fe-MOFs为前驱体制备单原子和原子簇铁催化剂，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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

A.按照铁盐与有机配体的摩尔比为0.5～4:1的比例，将两者混合后，再加入去离子水和十一烯酸，超声混合，制成混合反应液；

十一烯酸的添加，一方面可有效的提升Fe-MOFs前驱体的得率，另一方面，可在烧结前，起到保护Fe-MOFs前驱体的作用，防止其被环境中的氧化物质氧化，超声混合，则能有效的提升反应物之间的混合效果；