[发明专利]一种晶圆级贵金属单原子层催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种晶圆级贵金属单原子层催化剂，该催化剂的化学式为MY_x，x=1.1~1.4；其中：M为贵金属铂、钯、铱、锇、钌、铑中的任意一种；Y为硫族元素硫或硒。同时，本发明还公开了该催化剂的制备方法和应用。本发明有效提高了原子利用率和负载量，与单原子催化剂仅分散少量活性位点相比，能够在单原子层尺度上最大限度地提供活性位点，并且在水裂解产氢中表现出优异的催化活性。

技术领域

本发明涉及新材料能源领域，尤其涉及一种晶圆级贵金属单原子层催化剂及其制备和应用。

背景技术

铂(Pt)、钯(Pd)等贵金属催化剂因活性高常被用于商业水裂解产氢，但其数量稀少、成本高昂、耐久性差，严重阻碍了贵金属催化剂的大规模应用。为了降低成本，贵金属催化剂被设计成纳米线、纳米板、纳米笼等各种纳米结构，然而这些纳米结构原子利用率低，未能充分开发贵金属的催化性能。同时人们开始从原子尺度上提高催化剂活性，在各种衬底上负载贵金属单原子，开发出Pt/graphene、Pt/Al₂O₃、Pt/MoS₂、Pt/Silica、Pt/SrTiO₃、Pd/TiO₂、Pd/C₃N₄等单原子催化剂。然而现有贵金属单原子催化剂负载率低，仅能达到5wt%，产氢效率不佳。因此，迫切需要开发一种高原子利用率、高负载的产氢催化剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种原子利用率高的晶圆级贵金属单原子层催化剂。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该晶圆级贵金属单原子层催化剂的制备方法。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供该晶圆级贵金属单原子层催化剂的应用。

为解决上述问题，本发明所述的一种晶圆级贵金属单原子层催化剂，其特征在于：该催化剂的化学式为MY_x，x=1.1~1.4；其中：M为贵金属铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、锇(Os)、钌(Ru)、铑(Rh)中的任意一种；Y为硫族元素硫(S)或硒(Se)。

该催化剂为非晶结构，其厚度为1~5 nm，直径为5.08厘米（2 英寸）。

如上所述的一种晶圆级贵金属单原子层催化剂的制备方法，包括以下步骤：

⑴在生长基底上，将贵金属采用薄膜沉积技术进行沉积，形成厚度为0.5~3.0 nm的贵金属层；

⑵将硫族单质源置于氧化铝舟中，并与沉积所述贵金属的所述生长基底沿着气流的方向依次放置于管式容器中，通入载气，先于真空度为10~100 kPa、温度为100~200 ℃的条件下保温1~2 h，再于550~800 ℃发生化学气相沉积反应，0.5~1.5 h后经退火即得沉积样品；

⑶所述沉积样品暴露于等离子体气氛中，在0 ~ -30 ℃、10^-3 torr条件下经反应离子刻蚀即得晶圆级贵金属单原子层催化剂。

所述步骤⑴中生长基底是指SiO₂/Si、云母片、蓝宝石基底中的任意一种，其尺寸为2英寸。

所述步骤⑴中薄膜沉积技术是指电子束蒸发法或溅射法，其沉积速率为0.1 Å/s。

所述步骤⑵中管式容器是指中心具有加热装置的管式炉。

所述步骤⑵中载气是指流量为20~50 sccm的氩气或流量为5~10 sccm的氢气。

所述步骤⑶中等离子体气氛是指氩等离子体气氛或氩氢等离子体气氛。

所述步骤⑶中反应离子刻蚀的条件是指功率为3~5 W，时间为50~120 s。