[发明专利]一种以羧基化碳基材料为载体的金属单原子催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种以羧基化碳基材料为载体的金属单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)在惰性气氛下，将金属有机配合物溶解于有机溶剂A中，得到金属有机配合物溶液；(2)将得到的金属有机配合物溶液与羧基化的碳基材料于惰性气氛下进行反应，得到中间体产物；(3)将得到的中间体产物在惰性气氛下分散于有机溶剂B中，再加入还原剂于惰性气氛下进行还原反应，将还原后的混合液过滤，滤渣经洗涤后，即得到所述的金属单原子催化剂。本发明方法制备的金属单原子催化剂，表面的金属原子分散性和活性位点相对可控，普遍适用于多种金属单原子催化剂的合成，可用于能源、催化、医药及生物等合成催化领域。

技术领域

本发明属于催化剂制备领域，具体涉及一种以羧基化碳基材料为载体的金属单原子催化剂的制备方法。

技术背景

单原子催化剂作为一种新型催化剂，近年来得到广泛研究。与金属纳米粒子分散在载体上的常规载体催化剂相比，单原子催化剂具有最大原子效率和独特的催化性质等优点，并且单原子催化剂的开发为识别催化活性位点的性质并阐明其反应机制提供了一个新的机会，也展示了其在能源生产、水净化、气体排放控制和化学品生产的催化反应中的广泛应用。

对负载型催化剂来说，催化反应起作用的只是小部分金属，因各粒子形态各异，拥有多个活性位，表现出不同的催化性能。而其异相作用又制约其活性，使对特定产物的选择性降低。金属颗粒的尺寸对催化剂活性和特异性具有决定性作用，单原子催化与纳米催化、亚纳米催化不同，随金属颗粒尺寸的降低，其在其他方面的性能也会得到改善：第一，更小的颗粒尺寸能够更有效的发挥金属原子低配位环境的优势；第二，尺寸效应，其主要表现为电子受限引发的能级不连续分布和较大HOMO-LUMO带隙的现象；第三，金属原子与衬底间的相互作用，这是由金属和衬底之间的化学键及界面间的电荷转移引起的。

合成负载型金属单原子催化剂面临的最主要挑战是：如何使形成的单原子均匀分散的同时避免金属原子发生团聚。目前合成负载型单原子催化剂的主要方法包括mass-selected soft-landing技术、湿法化学法以及原子层沉积法。mass-selected soft-landing 技术可精确的控制负载金属的颗粒尺寸，原子层沉积法可实现在高比表面积多孔载体上均匀的沉积单个金属原子，然而维持这两项技术运行的费用较高，不利于其在实际合成中的应用。湿法化学合成法的实验装置简便，在普通的化学实验室即可完成，但是该方法单原子金属分散性很难控制，且不适合合成高负载量的单原子催化剂。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种以羧基化碳基材料为载体的金属单原子催化剂的制备方法，解决现有方法难以控制金属原子分散性的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种以羧基化碳基材料为载体的金属单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)在惰性气氛下，将金属有机配合物溶解于有机溶剂A中，得到金属有机配合物溶液；

(2)将得到的金属有机配合物溶液与羧基化的碳基材料于惰性气氛下进行反应，得到中间体产物；

(3)将得到的中间体产物在惰性气氛下分散于有机溶剂B中，再加入还原剂于惰性气氛下进行还原反应，将还原后的混合液过滤，滤渣经洗涤后，即得到所述的金属单原子催化剂。

本发明利用金属有机配合物与碳基材料表面的羧基选择性反应，再通过还原剂将后续金属直接定位于载体表面，从而制备得到单原子催化剂。本发明方法制备的催化剂，金属原子分散性和活性位点相对可控，适用于多种金属单原子催化剂的合成，所制备的催化剂金属负载量高。

上述步骤(1)中，有机溶剂A的用量以完全溶解金属有机配合物为准，在此基础上，可根据需要调整用量。步骤(2)中，有机溶剂B作为介质，起分散作用，添加适量即可。