[发明专利]一种碳基限域界面负载钯单原子催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于催化剂技术领域，具体为一种碳基限域界面负载钯单原子催化剂及其制备方法。本发明催化剂的特征是：还原氧化石墨烯与氮硫共掺杂的无定型碳组成限域界面，钯单原子通过Pd‑N与Pd‑S键锚定在界面上，整个催化剂纳米形貌呈现空心球状。其制备方法包括：SiO₂纳米球通过静电吸附作用包覆GO形成SiO₂@GO；通过化学聚合法在SiO₂@GO上聚合包覆一层聚罗丹宁形成SiO₂@GO@PRd；退火和去除SiO₂模板后得到碳基载体rGO@NSC；冰浴反应负载Pd单原子合成rGO@NSC/Pd‑SAC催化剂。本发明通过对制备工艺中各个关键参数、步骤和反应条件进行精确调控，能够有效提升单原子催化剂的负载量、稳定性。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种单原子催化剂及其制备方法。

背景技术

单原子催化剂作为新兴的催化剂，不仅能够解决诸多催化理论问题，带动基础科学的发展，而且因为其能显著提高贵金属利用效率和降低制造成本，在燃料电池、石油化工等领域也具有重要的应用前景。单原子催化剂优异的性能来自于活性中心的不饱和配位状态以及与载体间稳定的强相互作用。而碳基纳米材料（如石墨烯、碳纳米管等）不仅能够实现配位位点的构造，同时也是一类理想的载体。在碳材料中掺杂部分杂原子能够作为锚定位点实现单原子的稳定、高载量负载。对配位金属单原子的配位环境及电子结构调控是提高催化剂性能的有效途径之一。特别是在结构中引入氮、硫、磷等异质原子设计不同的原子配位结构，有效地调控局部配位环境及电子态，可以显著改善中心单金属原子的电荷状态，提升催化剂的催化活性及选择性。此外，限域结构中可容纳多种客体分子，增加反应物局部浓度，提高特定产物的反应动力学和选择性，利于稳定催化剂并延长寿命。因此，构建具有限域结构的碳基单原子催化剂材料，能够进一步体现出其高催化活性和选择性等优势，对发展高效、可规模应用的催化剂具有重要科学意义与应用价值。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种催化活性高、使用寿命长的碳基限域界面负载钯单原子催化剂及其制备方法。

本发明通过对制备方法整体工艺流程设置、以及各个关键工艺步骤的反应条件及参数 (如反应原料的种类及配比、反应物浓度及反应温度等)进行改进，与现有技术相比能够有效提高金属单原子的分散性、金属催化剂活性、循环稳定性。并且制备方法工艺简单、操作便捷，反应材料廉价、易得，能有提高催化剂的催化活性。本发明利用罗丹宁的氧化聚合后衍生的氮硫共掺杂无定型碳，构筑了还原氧化石墨烯/氮硫共掺杂无定型碳(RGO/NSC)限域界面，实现金属单原子的锚定，能够进一步提升单原子催化剂整体的催化性能；本发明通过增加载体与负载金属之间的相互作用力，以增强催化剂的稳定性。总之，本发明为高性能单原子催化剂制备提供了新的技术方案。

本发明提供的碳基限域界面负载钯单原子催化剂，其相貌呈空心球状，球壁为还原氧化石墨烯和氮硫共掺杂无定型碳组成的碳基限域界面，其中，按质量分数计，氮含量为9.1~7.2 %，硫含量为6.7~5.5 %；钯单原子锚定在限域界面之间，负载量为0.21~0.55 %。

本发明提供的单原子催化剂的制备方法，具体步骤为：

（1）将经过氨基化处理的SiO₂纳米球（直径为150~200 nm）分散在超纯水中，边搅拌边缓慢加入GO（氧化石墨烯）分散液，随后不断搅拌，该过程中通过静电吸附作用包覆GO（氧化石墨烯），将产物离心分离得到复合物，记为SiO₂@GO；

（2）取适量的SiO₂@GO复合物、罗丹宁、氧化剂，溶解分散于去离子水中，随后在80~90℃的油浴中聚合反应18~24 h，在SiO₂@GO上包覆一层聚罗丹宁（PRd），冷却至室温，离心取沉淀，干燥，得到复合物，记为SiO₂@GO@PRd；