[发明专利]一种具有高负载量的单原子催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高负载量的单原子催化剂及其制备方法。它包括如下步骤：(1)将金属盐与碳载体通过溶剂热反应，得到负载金属氧化物和/或氢氧化物的纳米颗粒的碳载体，记为MC；(2)用含有杂原子的聚合物包覆所述MC，得到包覆含有杂原子的聚合物的MC，记为MC@HDC；(3)对所述MC@HDC进行高温处理，即得到具有高负载量的单原子催化剂。本发明方法成本低，效率高，操作简单，无需酸刻蚀，重现性好，负载量可控，最高负载量可达18wt％。

技术领域

本发明涉及一种具有高负载量的单原子催化剂及其制备方法，属于催化剂设计与制备技术领域。

背景技术

单原子催化是如今催化领域的研究热点之一。单原子催化剂是指催化剂中的活性金属(M)组分以“孤立的原子”的形式-不存在M-M键-固定于载体上的催化剂。与传统催化剂相比，单原子催化剂具有显著优势：活性金属组分利用率最高-可达100％；活性中心组成单一，结构一致，可以避免因催化剂结构不均匀导致的副反应，从而提高选择性，同时也有利于揭示真正的反应机理，使其在工业化应用上具有巨大的前景。单原子催化剂既有均相催化的活性位点一致且孤立的特点，又具有多相催化剂易分离及多次循环利用的特点，架起了均相催化与多相催化之间的桥梁。同时，单原子催化可以实现活性金属组分的百分之百利用率，有效降低催化剂成本。因此，单原子催化剂不仅受到了研究人员的广泛关注，在工业催化领域也是研究的热点问题。

自张涛院士团队及其合作者在2011年首次报道了用于CO氧化的Pt₁/FeO_x单原子催化剂以来，对于单原子催化研究如雨后春笋般发展起来。国内外学术期刊上相继出现了多篇单原子催化主题的综述性文章，对单原子催化的定义和分类进行了详细解释，对单原子催化剂的制备方法、表征手段和应用领域进行了详细总结，对单原子催化剂领域存在问题和发展前景也进行了讨论。目前，科研人员已开发并发展了多种单原子催化剂制备技术，如湿化学法、原子层沉积法、高温蒸汽转移法、光介还原法以及热解法等多种方法。各种金属的单原子催化剂也常见诸报道，不仅是贵金属单原子催化剂(如Pd，Pt，Au，Ag，Rh，Ru，Ir等)，非贵金属单原子催化剂(如Fe，Co，Ni，Cu，Zn等)的报道也常见于多种高水平学术期刊。

经过了多年发展，单原子催化已经众多应用领域崭露头角。不论是传统的催化反应(如CO氧化，WSG反应，选择性氢化或氧化反应)，还是在新型催化领域(如燃料电池，光电催化领域)，单原子催化剂都显示出优于传统催化剂的性能。然而，在单原子催化领域仍然存在着一些技术难题亟待解决，如：在制备和反应过程中，活性金属易发生团聚，导致催化剂活性降低；单原子催化剂但负载量一般很低，一般负载量都低0.5wt％。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高负载量的单原子催化剂及其制备方法，本发明方法成本低，效率高，操作简单，无需酸刻蚀，重现性好，负载量可控，最高负载量可达18wt％。

本发明提供的一种具有高负载量的单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)将金属盐与碳载体通过溶剂热反应，得到负载金属氧化物和/或氢氧化物的纳米颗粒的碳载体，记为MC；

(2)用含有杂原子的聚合物包覆所述MC，得到包覆含有杂原子的聚合物的MC，记为MC@HDC；

(3)对所述MC@HDC进行高温处理，即得到具有高负载量的单原子催化剂。

上述的制备方法中，所述溶剂热反应中所用的溶剂包括水、乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、甲醇、乙醇、异丙醇和甘油中的至少一种；

所述金属盐中的金属元素为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Mo中的至少一种，所述金属盐为对应所述金属元素的硝酸盐、硫酸盐、盐酸盐、乙酰丙酮盐、乙酸盐和草酸盐中的至少一种；根据上述不同的金属元素种类，对所述溶剂进行优选；

所述碳载体为石墨烯、活性炭、碳纳米管、碳布和碳纤维中的至少一种。