[发明专利]一种单原子催化剂及其应用

说明书

本发明涉及催化剂制备技术领域，具体涉及一种单原子催化剂及其应用。本发明的单原子催化剂为负载有金属原子的氮掺杂碳骨架，金属原子包括铬原子、锰原子、铁原子、钴原子、镍原子、铜原子、锌原子、镉原子中的至少5种；氮掺杂碳骨架由碳原子和氮原子组成。本发明的至少五种的单原子位点无序地分布在MOF衍生的氮掺杂碳骨架上，增大了体系的混乱度，增加体系的熵值。从热力学角度看，本发明的高熵单原子催化剂将更有利于提高体系整体的结构稳定性。

技术领域

本发明涉及催化剂制备技术领域，具体涉及一种单原子催化剂及其应用。

背景技术

金属单原子催化剂是指金属以原子级形式均匀分散在载体上形成的具有优异催化性能的催化剂。由于具有高原子利用率、金属位点配位高度不饱和、金属位点与载体之间存在强相互作用等特点，金属单原子催化剂通常表现出超高的催化活性和选择性，已成为当前科学界和工业界的重要研究热点之一。

金属有机骨架(Metal organic Framework，MOF)材料因其金属节点的有序分布和明确的配位环境等本征理化性质，为制备金属单原子催化剂提供了强大的合成平台。金属有机骨架是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。MOF是一种有机-无机杂化材料，也称配位聚合物(coordination polymer)，它既不同于无机多孔材料，也不同于一般的有机配合物。人们通过调控热处理的温度、气氛和保温时间等，以预合成的MOF为前驱体可以实现多种过渡金属单原子催化剂的制备。目前，这些MOF衍生的金属单原子催化剂通常表现为单一的金属位点负载于MOF衍生的碳基载体上，在某些苛刻反应条件下，金属位点仍然可能出现浸出和流失，说明体系的结构稳定性有待进一步提高。从热力学第二定律角度看，MOF衍生的单一金属位点的催化剂体系中金属位点的混乱度较小，熵值不高，因此造成整体结构的稳定性不高。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的首要发明目的在于提供一种单原子催化剂。

本发明的第二发明目的在于提供该单原子催化剂的应用。

为了实现本发明的发明目的，采用的技术方案为：

本发明涉及一种单原子催化剂，所述单原子催化剂为负载有金属原子的氮掺杂碳骨架，所述金属原子包括铬原子、锰原子、铁原子、钴原子、镍原子、铜原子、锌原子、镉原子中的至少5种；所述氮掺杂碳骨架由碳原子和氮原子组成；所述氮掺杂碳骨架的孔体积为0.2～1.2cm³/g，平均孔径为1～5nm，比表面积为600～1500m²/g。

可选的，所述金属原子占所述单原子催化剂的质量百分比含量为0.5％～1.5％，更优选为0.8％～1.15％，最优选为0.98％～1％。

可选的，所述金属原子为铁原子、钴原子、镍原子、铜原子和锌原子；所述铁原子占所述单原子催化剂的质量百分比含量优选为0.1～0.3％，更优选为0.16～0.23％，最优选为0.17～0.18％；

所述锌原子占所述单原子催化剂的质量百分比含量优选为0.1～0.3％，更优选为0.16～0.23％，最优选为0.22～0.23％；

所述铜原子占所述单原子催化剂的质量百分比含量优选为0.1～0.3％，更优选为0.16～0.23％，最优选为0.18～0.19％；

所述镍原子占所述单原子催化剂的质量百分比含量优选为0.1～0.3％，更优选为0.16～0.23％，最优选为0.18～0.19％；

所述钴原子占所述单原子催化剂的质量百分比含量优选为0.1～0.3％，更优选为0.16～0.23％，最优选为0.21～0.22％。

可选的，所述单原子催化剂由以下方法制备而成，所述制备方法包括下述步骤：