[发明专利]一种前驱体雾化制备单原子催化剂的方法

说明书

本发明公开了一种前驱体雾化制备单原子催化剂的方法。第一步采用喷头将金属盐溶液雾化喷洒至不同的载体表面，得到单原子催化剂前驱体；第二步将上述所得的单原子催化剂前驱体置于红外灯下干燥。重复第一步和第二步若干次，然后将单原子催化剂前驱体置于干燥箱中过夜。最后将充分干燥后的单原子催化剂前驱体进行高温焙烧，冷却至室温后即可得相应的单原子催化剂。本发明利用简单的喷雾的方法使金属盐分散在不同载体表面，通过调控金属盐与载体的重量比例来调控金属含量；通过调控不同金属盐的种类来调控金属单原子种类；通过选用不同载体来调控载体种类；通过调控焙烧条件实现金属单原子与载体中氧、氮等元素的缺陷位点紧密结合，从而实现单原子催化剂的制备。

技术领域

本发明涉及属于材料科学与工程技术领域，具体地说，涉及一种前驱体雾化制备单原子催化剂的方法。

背景技术

2011年大连化物所张涛院士等人首次提出了单原子催化的概念，并成功制备出了单原子Pt/FeOx催化剂。2012年美国塔夫茨大学E. Charles H. Sykes课题组实现将单原子Pd分散在Cu(111)面上。2014年大连化物所的包信和院士课题组制备出原子级分散的Fe/SiO₂，且甲烷无氧制乙烯及芳构化取得重要进展。以及2016年厦门大学的郑南峰课题组用简单的光化学方法合成了Pd/TiO₂单原子分散的催化剂，该催化剂在C=C和C=O加氢反应过程中具有极佳的活性。

2018年，清华大学李亚栋课题组通过氨与铜原子配位，然后在高温含氨气氛围下运输，铜(NH₃)x物种被富氮碳载体上的缺陷捕获，形成孤立的铜位点从而制备出单原子催化剂。且已被证实在工业水平上生产功能性单原子催化剂是可行的(Nature catalysis2018, 1(10):781-786)。但是该方法是利用氨与铜原子配位，基于强路易斯酸碱相互作用，才形成挥发性铜(NH₃)x物质，即其适用范围受到了严重的限制，制备的单原子催化剂类型很单一。此外，该方法需要非常严格的控制反应温度、气体流速、对设备要求十分严格。

目前单原子催化剂的制备方法主要有：共沉淀法、浸渍法、原子层沉积法、反Ostward熟化法、逐步还原法、固相熔融法等。目前的大多制备方法都具备制备过程复杂、制备成本高、难以工业化生产等缺点。

其中原子层沉积法(Atomic Layer Deposition) 是一种可以将物质以原子膜形式一层一层镀在载体表面的方法。在ALD过程中载体交替暴露在不同的活性前体蒸气上，以自限制的方式一层一层沉积在载体上。由于沉积参数精确可控，沉积均匀性和重复性好，ALD广泛用于纳米材料合成等领域。但该方法对设备的要求十分高，设备十分昂贵，操作过程复杂，难以实现工业化生产。

中国专利CN105170147 B采用了原子层沉积的方法制备了Pd₁/Al₂O₃单原子催化剂，其对乙炔加氢具有优异的活性。但该方法所用设备十分昂贵，需要严格控制沉积时间、沉积温度、载体流速等条件。

中国专利CN108270020 A利用铂原子通过氧原子接枝在炭基底上制备了铂单原子，该催化剂具有良好的电化学性能。但该方法普适性低、操作复杂、且需严格控制反应温度反应时间。

美国专利US2014275686 A1通过调节溶液的pH值，从而控制硝酸钴在二氧化硅表面形成前驱体，接着于500℃下煅烧即可得到相应的单原子催化剂。但该方法每次产品制备量很低、需要严格控制反应条件，难以实现工业化生产。

中国专利CN108636437 A利用浸渍法将可溶性金属盐、盐酸羟胺、可溶性碳源、水和乙醇混合,得到混合溶液,然后进行干燥析出,得到催化剂前驱体,最后进行煅烧,得到氮掺杂碳负载金属单原子催化剂。该方法具有简单成本低等特点，但该方法只适用于单一特定的金属与载体, 而且每次只能少量制备，存在很大的局限性，很难实现工业化应用。