[发明专利]碳基双限域界面负载的单原子催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于催化剂技术领域，具体为一种碳基双限域界面负载的单原子催化剂及其制备方法。本发明制备方法包括：氧化石墨烯（GO）被聚多巴胺（PDA）包裹的PDA‑GO‑PDA复合材料的合成；还原氧化石墨烯（RGO）被氮掺杂碳（NC）包裹的NC‑RGO‑CN双限域界面复合材料的合成；NC‑RGO‑CN双限域界面复合材料负载金属单原子（M1）的M1/NC‑RGO‑CN双限域界面单原子催化剂的合成。本发明通过对整体工艺流程、以及各个关键工艺步骤的反应条件及参数进行改进，能够有效提高金属单原子的分散性、催化剂活性、循环稳定性。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种单原子催化剂及其制备方法。

背景技术

单原子催化剂中金属以单原子形式存在，因而，使其具有优异的催化活性，并展现出最大原子效率[Confined-interface-directed synthesis of Palladium single-atomcatalysts on graphene/amorphous carbon. Appl. Catal. B- Environ. 2018, 225,291-297.]。近年来，单原子催化剂在非均相催化领域得到了广泛的研究，并应用于光催化、电催化和有机催化等诸多领域[Supported Noble-Metal Single Atoms forHeterogeneous Catalysis. Adv. Mater. 2019, 1902031]。然而,单原子难以稳定存在，尤其在负载量较高时极易团聚成纳米粒子。因此，制备稳定的高负载量单原子金属催化剂仍是一项挑战。利用具有限域结构的载体来负载单原子是一种有效的制备方法[Catalysiswith Two-Dimensional Materials Confining Single Atoms: Concept, Design, andApplications. Chem. Rev. 2019, 119, 1806−1854]，可以提高单原子金属的稳定性。2018年，本课题组设计并构建了石墨烯/非晶碳的限域界面，实现了活性单原子钯在石墨烯/非晶碳界面的可控负载，制备的单原子催化剂展现出优异的催化性能。然而，该催化剂的金属负载量仅为0.3wt.%，含量较低，限制了其应用范围。

此外，利用载体中的杂原子（如氮）与金属单原子形成配位结构也可以稳定单原子[Ambient Synthesis of Single-Atom Catalysts from Bulk Metal via Trapping ofAtoms by Surface Dangling Bonds. Adv. Mater. 2019, 1904496]，提高单原子催化剂的稳定性和负载量。这些载体材料的设计理念和合成策略为单原子催化剂的催化活性和稳定性提升提供了技术参考。因此，要实现高负载量和高稳定性的单原子催化剂，寻找具有强载体-金属相互作用，较大负载能力的载体至关重要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种碳基双限域界面负载的高负载量和高稳定性的单原子催化剂及其制备方法。

本发明提供的碳基双限域界面负载的单原子催化剂的制备方法，对现有制备方法整体工艺流程、以及各个关键工艺步骤（譬如载体制备工艺，包括“三明治”结构的构建工艺与载体的氮掺杂工艺等）的反应条件及参数（如反应原料的种类及配比、反应物浓度及反应温度等）进行改进，与现有技术相比能够有效提高金属单原子的分散性、金属的负载量，并且该制备方法工艺简单、操作便捷、易规模化，反应原料廉价、易得。本发明利用具有“三明治”结构的NC-RGO-CN双限域界面，导向金属单原子在限域界面的锚定，加强金属与载体间的相互作用力，提高金属负载量，并利用由氮元素和金属两者之间的化学配位作用进一步提升催化剂稳定性。

本发明能够通过构建氮掺杂双限域界面增加载体与负载金属之间的相互作用力，以提高金属的负载量并增强催化剂的稳定性。总之，本发明为高负载量和高稳定性单原子催化剂提供了新的制备方案。

本发明提供的碳基双限域界面负载的单原子催化剂的制备方法，具体步骤如下：