[发明专利]一种高负载量的贵金属单原子催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种高负载量的贵金属单原子催化剂及其制备方法和应用，该催化剂利用掺氮的碳材料作为载体，吸附贵金属酸根离子或盐离子，然后将获得的前驱体粉末，用一定强度的紫外线照射一段时间，即可得到高负载量的贵金属原子催化剂。该催化剂具有高的活性位点密度，高的贵金属利用率，在电催化的氢气析出、氧气还原及氧气析出等反应表现出优异的性能。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种高负载量的贵金属单原子催化剂及其制备方法和应用，尤其是光化学固相还原法制备的贵金属单原子催化剂及其应用。

背景技术

由于环境污染和能源危机问题日益突出，开发利用绿色环保的可再生能源显得非常重要。在这种形势下，环境友好型和资源节约型的能量转换装置和储存器件成为了新能源领域的研究热点，包括燃料电池、金属空气电池、电解水装置等。氧气还原、氧气析出及氢气析出等反应是上述电化学能源转换装置涉及的一些重要反应，为了促进这些反应的进行，贵金属及其合金是当今最广为人知的催化剂，但是贵金属的高价格和低储量严重限制了其的大规模商业化应用。为了解决这个问题，研究者们利用降低贵金属基催化剂纳米粒子的尺寸，制备几个原子的纳米簇甚至于单个原子分散的催化剂等方法，来有效地提高了贵金属的利用率，从而降低这类催化剂的成本。更重要的是，贵金属可以以原子形式均匀分散在碳材料或者过渡金属氧化物等载体上，这些贵金属单原子催化剂被报道拥有超高的催化性能。因此，制备单分散贵金属原子催化剂具有重要应用前景。

目前，人们可以用来制备贵金属单原子催化剂的方法有溶液化学法，原子层沉积法，光催化合成法等。其中，传统的溶液化学法被认为是制备贵金属单原子材料的主流之一，但是离子和原子在溶液中的扩散会形成许多纳米晶体，因此通过这种方法获得的催化剂的贵金属原子的团聚非常严重。而在使用原子层沉积法获得的催化剂中，也总是会产生许多贵金属的纳米晶体甚至是纳米颗粒。这些生成的贵金属的晶体或者颗粒会降低材料的电催化性能。因此，本发明提供了一种全新的制备方法，即以光化学固相还原法来制备掺氮多孔碳负载贵金属单原子催化材料。该材料中贵金属全部以单原子形式均匀负载在碳材料上，金属的负载量能达到相当高的水平并且没有出现团聚现象。此外，负载贵金属原子的种类和组分可以根据需要进行调控。

发明内容

为了解决现有技术中提到的上述问题，首先，本发明提供了一种高负载量的贵金属单原子催化剂，该催化剂中贵金属以单原子形式均匀分散在掺氮的碳材料上。该催化剂具有高的活性位点密度，高的贵金属利用率，在电催化的氢气析出、氧气还原及氧气析出等反应表现出优异的性能。

在本发明的优选的实施方式中，所述的贵金属包括Pt、Ag、Au、Pd、Ru、Ir中的一种或几种。

在本发明的优选的实施方式中，所述的高负载量的贵金属单原子催化剂中，贵金属的负载量在0.1 wt%-10 wt%之间。

本发明还保护所述高负载量的贵金属单原子催化剂的制备方法， 具体步骤如下：

（1）将掺氮碳材料进行充分的研磨后，加入一定量的水中，混合均匀；

（2）向上述溶液中加入一定量的含贵金属的酸或盐；

（3）经过搅拌，使金属离子充分吸附；

（4）将上述悬浮液，过滤，洗涤，干燥后研磨待用；

（5）用紫外线照射样品。

该方法制备流程简单，周期短、能耗低，环境友好，适合工业化生产。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤（1）中，所述的掺氮碳材料包括炭黑，石墨烯，碳纳米管，生物质多孔碳中的一种或几种。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤（2）中，所述的含贵金属的酸或盐，包括氯铂酸，氯铂酸盐，氯金酸，氯金酸盐，氯化钯，硝酸银中的一种或几种；所述的含贵金属的酸或盐的负载量为0.1 wt%-10 wt%之间，基于催化剂的总重量计。