[发明专利]一种催化剂及其制备方法

说明书

一种催化剂，含有碳载体，在该碳载体上负载有金属颗粒，其特征在于，该碳载体内具有球形的介孔；该金属颗粒为金属纳米粒子，由单金属、双金属或多金属组成，金属选自Pd、Au、Pt、Ag、Ru、Rh、Ir、Fe、Re、Mo、Ni、Co、Zn、Cu中的至少一种；金属纳米粒子相对于碳载体的负载质量在0.1～70％之间。

技术领域

本发明涉及一种催化剂及其制备方法，所获得的催化剂在催化加氢、氧化、电化学等多相催化领域具有广泛的应用前景。

背景技术

碳载金属催化剂是一类重要的多相催化剂，在化工生产及科学研究中被广泛应用，几乎涉及催化反应的各个方面，比如石油化工、生物医药、航空航天等领域。近年来，在生物质转化、电催化等领域，碳载金属催化剂的应用同样发展迅速。

一般地，金属颗粒尺寸在3～5nm且组成均匀的金属纳米颗粒会表现出较好的催化性能，但由于金属纳米粒子的尺寸越小其表面自由能越大，因而稳定性差，在催化反应中容易聚集长大或者流失引起催化剂失活，这是限制金属纳米粒子尺寸较小的负载型金属催化剂应用的难题(Chem.Rev.2018,118,4981-5079；Adv.Mater.,2019,31,1803966；Chem.Soc.Rev.,2017,46,4774-4808)。控制金属纳米粒子的尺寸、分布及限制其在催化反应中的流失是决定金属催化剂应用性能的关键。传统制备的碳载金属催化剂的载体通常是微孔或开放式孔材料(活性炭等)，催化剂金属颗粒往往沉积在载体的表面。表面惰性的碳材料由于其与金属较弱的相互作用力容易导致金属颗粒尺寸、分布等难以精确控制，同时容易造成金属纳米粒子在反应过程中的团聚和脱落流失，尤其是在一些苛刻的多相反应条件(高温高压、液相条件等)下，更容易造成催化剂的失活。

发明内容

为解决以上提到的金属纳米粒子尺寸不均匀及其在催化反应过程中流失等问题，本发明提供了一种催化剂及其制备方法，使用的碳载体具有球形的介孔，碳载体的球形介孔结构可以使金属纳米粒子限域生长，有效控制金属纳米粒子的尺寸，同时可以限制金属纳米粒子的迁移，防止其在反应过程中的团聚和流失。

本发明提供了一种催化剂，含有碳载体，在该碳载体上负载有金属颗粒，其特征在于，该碳载体内具有球形的介孔；该金属颗粒为金属纳米粒子，含有单金属、双金属或多金属，金属选自Pd、Au、Pt、Ag、Ru、Rh、Ir、Fe、Re、Mo、Ni、Co、Zn、Cu中的至少一种；金属纳米粒子相对于碳载体的负载质量在0.1～70％之间。

本发明还提供了一种制备该催化剂的方法，其过程包括：

a)提供具有球形介孔的碳载体；

b)将金属前驱体盐引入到该具有球形介孔的碳载体中；

c)将金属前驱体盐还原为金属，得到该催化剂。

进一步地，在步骤b)中所述金属前驱体通过浸渍、离子交换或沉积沉淀法引入到该具有球形介孔的碳载体中。

进一步地，在步骤a)中包括：

a1)提供一种水溶液，该溶液包含芳香化合物、醛类化合物、表面活性剂、和添加剂；

a2)将步骤a1)中得到的溶液加热一段时间，获得具有球形介孔结构的聚合物；

a3)将步骤a2)中得到的具有球形介孔结构的聚合物在保护气氛下高温热解得到具有球形介孔的碳载体。

进一步地，在步骤a1)中所述的芳香化合物至少包含一个羟基基团，所述的醛类化合物为选自脂肪族C1到C12脂肪醛或可分解为甲醛的化合物。

进一步地，在步骤a1)中该聚合物的球形介孔的尺寸可以通过加入添加剂进行调节，所述添加剂可选自盐类，C3到C30的脂肪烃、芳香烃分子，或者为含氨基、巯基、羧基或羟基的化合物分子的一种或几种。