[发明专利]一种浅表层金属单原子催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种浅表层金属单原子催化剂及其制备方法和用途，所述浅表层金属单原子催化剂中以氧化钨为载体，金属单原子为活性组分，所述金属单原子分布在氧化钨载体上表层深度为1‑20nm的区域，本发明所述催化剂的单原子活性组分位于载体的表层下特定深度的区域，避免了催化剂在使用过程中单原子间团聚的问题，有利于避免催化过程中积碳现象的发生，使得所述催化剂在保持高活性的同时，延长其使用寿命。

技术领域

本发明属于催化材料领域，涉及一种浅表层金属单原子催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

负载型金属催化剂分散的极限是单原子的形式均匀分布在载体上。单原子负载型金属催化剂有诸多的优势：高表面自由能、量子尺寸效应、不饱和配位环境和金属载体的相互作用等有助于提高催化剂的性能。但是高表面自由能带来的稳定性以及负载量的问题极大限制了此类催化剂的应用。

CN109589978A公开了一种金属单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将官能团化的碳基材料加入至有机溶剂A中，再于惰性气氛下向其中滴加有机锂试剂，滴加完后于惰性气氛下反应，得到中间体产物，所述官能团化的碳基材料为羟基或/和氨基化的碳基材料；(2)将得到的中间体产物与金属氯化物于惰性气氛下分散于有机溶剂B中进行反应，得到金属单原子催化剂和氯化锂的混合物；(3)将步骤(2)所述的混合物提纯，即得到所述的金属单原子催化剂；此方案制备得到的催化剂中，金属单原子分布在载体的表面，其存在结构不稳定的问题，在催化剂使用过程中易发生团聚失活的问题。

CN109201048A公开了一种单原子催化剂及其制备方法，该方法包括：首先采用金属有机盐缓慢水解使其以单分子层氧化物的高分散形式包覆在氧化物载体表面，获得缺陷均匀的过渡金属氧化物层，然后将载体在贵金属硝酸合氨盐水溶液中润湿产生丰富的羟基，然后选择性地吸附贵金属硝酸合氨盐溶液中的贵金属-氨络合物，从而在载体表面形成单原子或者部分团簇，最后通过CO₂+H₂O气氛处理，使所有贵金属原子分散为单原子状态；此方案所述单原子催化剂中单原子位于载体表面，在使用过程中易发生团聚失活的问题。

因此，开发一种结构稳定，金属单原子不易团聚的金属单原子催化剂及其制备方法仍具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种浅表层金属单原子催化剂及其制备方法和用途，所述浅表层金属单原子催化剂中以氧化钨为载体，金属单原子为活性组分，所述金属单原子分布在氧化钨载体上表层深度为1-20nm的区域，本发明所述催化剂的单原子活性组分位于载体的表层下特定深度的区域，避免了催化剂在使用过程中单原子间团聚的问题，有利于避免催化过程中积碳现象的发生，使得所述催化剂在保持高活性的同时，延长其使用寿命。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种浅表层金属单原子催化剂，所述催化剂以氧化钨为载体，所述金属单原子分布在所述氧化钨的表层深度为1-20nm，例如2nm、5nm、7nm、10nm、15nm或18nm等，的区域。

本发明所述表层深度指的是载体内部距离催化剂表面的距离。

本发明提供了一种浅表层的金属单原子催化剂，所述浅表层指的是载体氧化物上距离载体表面的距离为1-20nm的区域，本发明所述催化剂中，金属单原子并非位于载体的表面，而是位于载体的浅表层的区域，其一方面对金属单原子起到固定支撑作用，另一方面，由于载体的限域作用使得金属单原子间不易团聚，从而使得催化剂的稳定性明显提高。

本发明所述浅表层金属单原子催化剂用于催化氧化苯的过程中表现出高的催化活性，在测试空速为60,000mL·g^-1·h^-1的条件下，苯转化率达到90％对应的温度最低可达150℃；且本发明所述催化剂在催化过程中不易出现积碳的问题，且活性组分不易团聚，明显延长了催化剂的使用寿命。