[发明专利]一种基于碳纳米笼载体的金属单原子催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及单原子催化技术领域，提供一种基于碳纳米笼载体的金属单原子催化剂。该金属单原子催化剂包括碳纳米笼载体和嵌入所述碳纳米笼载体笼壁微孔通道中的金属单原子；所述金属单原子为Pt、Pd、Ru、Ir、Ag或Au；所述碳纳米笼载体为掺杂碳纳米笼。本发明以掺杂的碳纳米笼为载体，利用掺杂杂原子的锚定作用和载体微孔的限域作用，使金属原子嵌入到纳米笼壁的微孔通道中，进而与掺杂杂原子和碳原子之间产生强相互作用，调变金属原子的电子结构，同时提高金属单原子的稳定性，得到高活性、高稳定性的金属单原子催化剂。本发明采用浸渍吸附法制备金属单原子催化剂，不需要昂贵设备、特殊原料和复杂工艺，操作简单，可实现规模化生产。

技术领域

本发明涉及单原子催化技术领域，尤其涉及一种基于碳纳米笼载体的金属单原子催化剂及其制备方法。

背景技术

贵金属是一类用途广泛、性能优良的催化剂，但资源稀缺、价格昂贵。提高贵金属利用率一直是人们孜孜以求的目标。围绕贵金属高效利用这一重要课题，人们发展了纳米化、合金化、优先暴露高活性晶面、构建核壳结构等策略，在取得一定成效的同时仍然存在工艺复杂、成本高等问题。将贵金属以单原子形式分散于载体，使每个原子都发挥催化作用，是提高质量比活性、减少贵金属用量的终极策略。2011年，大连化物所张涛院士等报道了Pt₁/FeO_x单原子催化剂，展现出优异的CO氧化活性及稳定性，并提出“单原子催化”的新概念，开创了单原子催化的新领域，相关研究备受关注。

单原子催化剂具有以下优点：1)集成了均相催化和多相催化的优势，表现出高催化活性和高选择性；2)结构简单，是研究催化反应机理的理想催化剂；3)单原子催化剂展现出最大原子利用率，对降低贵金属催化剂的成本有立竿见影的作用。目前，单原子催化剂在氧化反应、加氢反应、水煤气变换、光催化制氢以及电催化等领域都展现出良好的发展势头。

然而，单原子催化剂的研究仍存在以下挑战：1.金属单原子具有高表面能，容易团聚形成团簇或纳米颗粒。2.单原子催化剂通常具有高活性和高选择性，但其催化稳定性仍有待提高。3.目前，本领域普遍采用原子层沉积法(ALD)、冷冻还原法、光还原法等单原子催化剂的制备方法，这些方法或需要特别的设备、或操作复杂、或需要昂贵前驱物，因此，急需一种简单方法制备出稳定的单原子催化剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于碳纳米笼载体的金属单原子催化剂及其制备方法，本发明提供的金属单原子催化剂中金属单原子高度分散，催化剂展现出高活性和高稳定性；本发明采用浸渍吸附法，制备方法不需要昂贵设备、特殊原料和复杂工艺，简单易行。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于碳纳米笼载体的金属单原子催化剂，包括碳纳米笼载体和嵌入所述碳纳米笼载体笼壁微孔通道中的金属单原子；所述金属单原子为Pt、Pd、Ru、Ir、Ag或Au；所述碳纳米笼载体为掺杂碳纳米笼。

优选的，所述金属单原子的负载量在8wt.％以下。

优选的，所述掺杂碳纳米笼为单元素掺杂碳纳米笼或共掺杂碳纳米笼。

优选的，所述单元素掺杂碳纳米笼为N掺杂、B掺杂、S掺杂或P掺杂碳纳米笼。

优选的，所述N掺杂碳纳米笼中N的掺杂量在20at.％以下；所述B掺杂碳纳米笼中B的掺杂量在5at.％以下；所述S掺杂碳纳米笼中S的掺杂量在8at.％以下；所述P掺杂碳纳米笼中P的掺杂量在8at.％以下。

优选的，所述共掺杂碳纳米笼为N/B共掺杂、N/S共掺杂、N/P共掺杂、B/S共掺杂、B/P共掺杂或S/P共掺杂碳纳米笼。

优选的，所述碳纳米笼载体的笼壁微孔孔径为0.4～1.5nm。

本发明还提供了上述技术方案所述的金属单原子催化剂的制备方法，包括：