[发明专利]一种负载型单原子金属催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明具体涉及一种负载型单原子金属催化剂的制备方法，包括如下步骤：将含碳源、金属盐和有机溶剂的混合溶液加热蒸干，然后在氨气气氛下热处理，冷却，得到负载型单原子催化剂。该方法能使所述负载型单原子催化剂一步生成且原位复合、原料廉价易得、工艺流程简单、满足工业生产应用要求。根据本发明的方法制备的催化剂，活性组分金属单分散负载在氮掺杂有序多孔碳上，用于电催化二氧化碳还原反应中，具有高活性和高稳定性的特点。

技术领域

本发明属于催化剂合成技术领域，具体涉及一种负载型单原子金属催化剂及其制备方法和在电催化还原二氧化碳反应中的应用。

背景技术

大气中过多的二氧化碳带来了严重的全球变暖等环境问题，已经引起国际社会的广泛关注，科学界在积极寻求有效的解决途径。其中，二氧化碳电化学还原法具有装置投资少，反应条件温和、成本低的优点，是一种绿色化学方法。二氧化碳被转化为一氧化碳、甲烷、甲酸、醇类、碳氢化合物及碳酸酯等有用的化学品，对缓解环境及能源危机有重要意义。因此，设计开发高活性的电催化材料很有必要。

单原子催化是多相催化领域的新概念，其原子分散的均一活性位可使金属原子利用率达到最大，有效降低催化剂成本；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。现有的单原子催化剂的制备方法很多，包括浸渍法，高速球磨法，ALD，光还原法等，但是大多步骤繁琐，不易实现工业化，并且由于单原子的能量高，在制备过程中容易发生团聚，很难达到原子的单层分布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种负载型单原子金属催化剂的制备方法，该方法能使所述负载型单原子催化剂一步生成且原位复合、原料廉价易得、工艺流程简单、满足工业生产应用要求。根据本发明的方法制备的催化剂，活性组分金属单分散负载在氮掺杂有序多孔碳上，用于电催化二氧化碳还原反应中，具有高活性和高稳定性的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种负载型单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：将含碳源、金属盐和有机溶剂的混合溶液加热蒸干，然后在氨气气氛下热处理，冷却，得到负载型单原子催化剂。

优选地，所述碳源为葡萄糖、蔗糖、淀粉中的任意一种或一种以上的混合物。

优选地，所述金属盐为Ni、Fe、Co的可溶性盐。

优选地，所述有机溶剂为为水和乙醇，所述乙醇占溶剂的体积比为0～100％且不包括0和100％。

优选地，所述碳源与金属盐的质量比为(12～25)：1。

优选地，所述氨气的流速为60～100cm³/min。

优选地，所述热解温度为700～900℃，热解时间为1～2h。

根据上述方法制备得到的负载型单原子金属催化剂的应用，所述负载型单原子催化剂应用于电催化还原二氧化碳。

本发明的有益效果:

1、本发明的负载型单原子金属催化剂，以廉价的葡萄糖、蔗糖、淀粉为碳源，以廉价的镍盐、钴盐、铁盐为金属前驱体，通过原位热解反应一步生产，单原子金属均匀、稳定的负载在均匀分布、蜂窝状的氮掺杂有序多孔碳上。本发明提供的制备方法，原料廉价易得且工艺流程简单，大大降低了生产成本，有利于大规模的工业化应用。

2、本发明的负载型单原子金属催化剂，由单原子金属和氮掺杂有序多孔碳组成，有序多孔碳具有孔道丰富、比表面积大的特点，有助于单原子金属的分散，同时有序多孔碳上掺杂的N原子有利于锚定单原子金属颗粒，减小单原子金属颗粒的尺寸、提高活性组分的分散度、提高金属与载体之间的作用力；各组分均具有一定的电催化二氧化碳还原的催化活性，各种活性物质之间协同增效作用明显，使催化剂表现出高的催化活性和稳定性。

具体实施方式