[发明专利]一种生物质衍生多孔碳限域单原子金属复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种生物质衍生多孔碳限域单原子金属复合材料的制备方法，是将生物质原材料分散液与酞菁、金属酞菁共轭混合后，在惰性气体气氛下高温热解制得。与现有技术相比，本发明以廉价的生物质废弃物为碳氮源、酞菁为氮源、金属酞菁为金属源，利用酞菁/金属酞菁的配位作用为金属原子提供空间位阻，可普遍适用于各种金属单原子催化材料的制备，且金属单原子分散均匀、性能优异。

技术领域

本发明涉及一种生物质衍生多孔碳限域单原子金属复合材料的制备方法，属于单原子催化技术与生物质废弃物资源化利用研究领域。

背景技术

单原子催化材料中金属原子级地分散在载体上，具有最小的尺寸、极高的原子利用率和优异的催化活性，在一氧化碳氧化、二氧化碳还原、氧还原反应(ORR)、析氢反应(HER)、氮还原反应(NRR)、甲烷重整制氢及有机合成等催化领域中表现出与传统均相催化剂相当或更加优异的活性和选择性，同时又具有非均相催化剂易于分离的优势，成为多相催化领域的新兴研究热点。然而，当金属粒子的尺寸减小到单原子级别，尤其在负载量较高时，其急剧增大的表面自由能导致单原子材料在制备和应用时极易移动和团聚形成纳米团簇或纳米粒子，导致催化剂失活。因此，利用具有限域结构的载体来负载金属元素是一种有效的单原子催化剂制备方法，可以提高高负载量单原子金属催化材料的热力学稳定性。

常用的制备单原子金属催化材料的载体有金属氧化物、SiO₂、碳材料等。SnO_x、CeO_x、ZrO_x、MnO_x、TiO₂等金属氧化物载体，单原子金属与载体金属通过化学键合作用合成单原子金属催化剂，但由于金属氧化物载体中稳定单原子的位点有限，合成的单原子催化剂的载量非常低(0.5wt％)，锚定于内部晶格单原子无法起到催化作用，导致原子效率低下；以SiO₂为稳定剂合成系列复合材料，再通过氢氟酸去除二氧化硅得到原子级分散的金属氮碳材料，但以二氧化硅作为模板牺牲剂，损耗较大，合成方法复杂，生产成本较高，严重阻碍了单原子催化剂的工业化生产和应用。因此，具有比表面积大、导电性好、结构易调控且能够控制产生大量不饱和位点的先进碳材料，包括氮化碳、碳纳米管、石墨烯等，被广泛研究作为单原子金属催化材料的载体。但这些碳材料通常需要通过高温煅烧含碳前驱体获得，易产生大量一氧化碳和挥发性有机物等有毒有害物质。因此寻找一种廉价易得、性能优越的碳材料载体具有重要意义。

生物质是一种广泛来源于自然界的碳材料，其成本低廉、具有较大的比表面积，自身富集的矿物质灰分在炭化过程中可以作为自模板起到支撑和保护孔结构的作用，含有的N、P等元素可作为金属元素的锚定位点，稳定单原子金属以防止其迁移团聚。因此，以生物质碳材料为制备单原子金属催化材料的载体，不仅可以获得优良的稳定性、较高的负载量和催化活性的单原子催化剂，还可以实现生物质资源废弃物的有效利用，变废为宝。专利号CN109133195A中报道了一种双金属氧化物掺杂生物质多孔碳材料及其制备方法，该发明以藻类浒苔为碳源，通过脱色处理、硝酸钴和钼酸铵混合溶液浸渍和高温煅烧制得双金属氧化物掺杂生物质多孔碳材料，该方法中金属纳米粒子易团聚、分布不均匀，未能合成单分散金属原子催化材料。专利号CN 111068682 A公布了一种生物质基碳材料负载单原子铜催化剂及其制备方法，该发明先将生物质原料水热处理，再将其分散于铜盐水溶液中，最后通过高温热解合成生物质基碳材料负载单原子铜催化剂，该合成方法需要对生物质原料进行前处理，步骤繁琐，且金属盐与载体中杂原子的配位稳定性差，易导致金属活性组分与载体脱落以及反应过程中大量离子浸出等问题，限制了其在实际过程中的大规模应用。