[发明专利]一种单原子贵金属催化剂及其制备方法和在低温催化氧化甲醛中的应用

说明书

本发明公开了一种单原子贵金属催化剂及其制备方法和在低温催化氧化甲醛中的应用；所述单原子贵金属催化剂包括载体和以单原子形式分散在其表面的贵金属；该催化剂中贵金属分散度可达到单原子分散水平，且和催化剂载体间具有强相互作用；催化剂的氧化还原性能、氧吸脱附性能、甲醛活化能力等方面的性质得到明显提升，相比于未负载贵金属的二氧化锰材料贵金属催化剂对于不同浓度的甲醛净化性能明显增强。所述制备方法具有制备过程快速，简单，节约成本，可实现贵金属在载体表面的单原子分散；采用所述方法制备的单原子分散的贵金属催化剂在提高贵金属分散度降低贵金属使用成本的同时保证催化剂对于气态甲醛具有足够高效的净化能力。

技术领域

本发明涉及空气净化应用材料技术领域，具体涉及一种单原子贵金属催化剂及其制备方法和在低温催化氧化甲醛中的应用。

背景技术

甲醛是一种常见的室内空气污染物，主要来源于室内家具中的粘合材料的分解。甲醛具有较高的毒性，且高浓度的甲醛对人体的皮肤、眼睛和呼吸道粘膜具有刺激性作用，长期接触甲醛还会对人体尤其是婴幼儿的免疫系统产生直接破坏，导致白血病的发生。因此，消除室内空气中的甲醛成为人们越来越关注的问题。

目前室内污染物净化技术主要包括吸附法、光催化氧化法、臭氧氧化法、催化氧化法等。其中吸附法虽然操作简单、能耗低，但由于甲醛的沸点低、挥发性强，难以实现被完全吸附净化，且还需要使用高比表面积的吸附材料，例如CN 104607151 A中公开了采用含有有效氮成分的活性炭吸附甲醛的方法，虽然该活性炭吸附甲醛的能力得到了提高，但吸附材料存在吸附饱和的问题依然存在。光催化氧化法需要额外引入紫外光源，而紫外光的引入易引发臭氧的生成，导致二次污染的发生。臭氧氧化法是利用强氧化性的臭氧在室温条件下氧化甲醛，但臭氧本身也可对人体产生直接的危害，人体在浓度为0.1-1ppm的臭氧中眼睛可产生烧灼感，上呼吸道受刺激，因而该技术难以在家用实际条件下应用。催化氧化法则是在催化剂的作用下使甲醛和空气中的氧在较低的温度下发生氧化反应生成无毒无害的水和二氧化碳。

而催化氧化法的核心是催化剂的使用，目前已报道的催化剂包括贵金属和非贵金属氧化物两大类。贵金属具有良好的低温催化甲醛氧化的活性，反应甚至可以在室温条件下进行，然而，贵金属是一种稀缺资源，大量使用贵金属必然会导致催化剂成本提高。与之相反，非贵金属氧化物在材料成本上远低于贵金属催化剂，然而其反应温度较高，通常需要在100℃以上时其才能稳定高效地运行，因此在实际环境中难以直接被使用。综合现有贵金属和非贵金属催化剂的优缺点，在保证催化剂使用效能的同时降低贵金属的使用量成为了解决现有问题的最优解。众所周知，贵金属成分作为贵金属催化剂活性的主要来源，其含量与催化活性直接相关，然而催化反应往往是在催化剂的表面进行，因此催化剂活性高低的根本原因在于催化剂表面催化活性中心的数量。可通过降低贵金属催化剂的颗粒尺寸，提高贵金属的分散度，从而在保证贵金属活性位暴露总量不变的前提下降低贵金属的使用量，其理想条件下是达到单原子分散时贵金属的分散度最高。现阶段，常规方法只能将贵金属控制在纳米尺度，受金属表面能随金属尺寸减小而迅速增加的影响导致贵金属的尺寸难以进一步的降低。其解决之道在于增强贵金属与载体间的相互作用来稳定贵金属单原子。例如，采用共沉淀法可将贵金属单原子封装在金属氧化物晶格中，但深埋其中的贵金属难以发挥催化作用，导致贵金属材料浪费。因此需要开发出一种新的合成手段使贵金属以单原子的形式负载在载体表面。

发明内容

为了改善现有技术中存在的不足，本发明提供了一种单原子分散的贵金属催化剂及其制备方法和用途，所述催化剂的制备方法简单，贵金属以单原子形式在载体表面上呈现高度分散，不仅可以大大降低贵金属的使用量，制备的催化剂对于高浓度和低浓度甲醛均表现出较好的催化活性。

本发明提供如下技术方案：

一种单原子分散的贵金属催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)将二氧化锰载体和贵金属前驱体混合，得到悬浮液；

2)将过氧化氢水溶液与步骤1)的悬浮液混合，反应；