[发明专利]一种基于环糊精超分子化学可控制备碳载金属单原子催化剂及其制备方法和应用方法

说明书

本发明涉及单原子催化技术领域，具体是一种基于环糊精超分子化学可控制备碳载金属单原子催化剂及其制备方法和应用方法，碳载金属单原子催化剂包括作为载体的杂原子掺杂的碳及其锚定的金属单原子，其中金属单原子为Mo、Co、Ni、Fe、Pt、Ir、Au、Cu、Ru、Rh、Pd。本发明以环糊精超分子为碳源，利用环糊精超分子的限域及其自组装作用，将金属前驱体包合在环糊精超分子空腔中，同时环糊精超分子与含杂原子的客体分子发生自组装，经高温热解制备碳载金属单原子催化剂。本发明采用的超分子自组装限域热解法，制备方法简单、无金属损失、无污染排放、绿色合成且金属单原子负载量高。

技术领域

本发明涉及单原子催化领域，主要涉及单原子催化剂在加氢领域中的应用，具体涉及一种基于环糊精超分子化学可控制备碳载金属单原子催化剂及其制备方法和应用方法。

背景技术

随着可用原油越来越重，以及各种渣油的再回收利用，重油轻质化显得愈发重要。浆态床加氢作为新兴的重油轻质化技术，能非常好的适用于高硫、高金属、高残炭的劣质重油，限制其工业化应用的瓶颈主要是活性、选择性好，价格又便宜的催化剂可控制备合成。贵金属的高效利用一直是困扰各大研究团队的难题。研究表明，随着金属催化剂分散度的增加，其催化活性逐渐增高，当金属纳米粒子分散度降至原子尺度，由于金属表面配位不饱和程度大大增加、表面自由能大幅增加、以及极强的量子效应，致使金属单原子展现出了超越以往的催化活性和选择性，原子利用率更是达到了100%，可以大大减少活性金属的应用。因此，选用单原子催化剂应用于重油浆态床加氢将会解决上述的大多数问题。

然而单原子催化剂的制备条件非常苛刻，这是由于单个金属原子具有相当高的表面能和电子迁移能力，容易发生金属原子之间的团聚。因此，金属原子与载体之间需要一定的相互作用来完成彼此之间的锚定，但是如果这种相互作用太强，会使金属单原子的催化效果大大降低。由于相互作用刚好满足上述标准，以氮碳材料作为载体制备单原子催化剂被各大研究团队所追捧。当前存在的制备方法普遍存在制备成本高、操作复杂等缺陷，因此，亟需开发一种普适性、低成本、高载量且简单易操作的单原子催化剂制备方法。

发明内容

本发明提供一种基于环糊精超分子化学可控制备碳载金属单原子催化剂及其制备方法和应用方法，以此来解决目前重油浆态床加氢过程中油溶性分子钼催化剂存在的活性组分不清晰、活性位点少、周转频率不高，催化剂快速劣化和体系生焦等限制工业化应用等问题。

本发明从改变载体的碳材料出发，采用超分子环糊精“内腔疏水、外壁亲水”的特殊分子结构和性质，成功将各金属单原子包覆在腔体中间，极大的提高了金属单原子的稳定性，本发明具有非常好的重油浆态床加氢性能，原料廉价易得、操作简单，可实现大规模应用，有非常好的商业化前景。

本发明的技术方案是：

一种基于环糊精超分子化学可控制备碳载金属单原子催化剂，包括作为载体的杂原子掺杂的环糊精以及由其包合的金属单原子；

所述金属原子为Mo、Co、Ni、Fe、Pt、Ir、Au、Cu、Ru、Rh、Pd；

所述杂原子为O、S、N中的一种或几种。

优选的，所述碳载金属单原子的负载量在1%—20%。

一种基于环糊精超分子化学可控制备碳载金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将金属盐化合物、氮源与去离子水混合，得到混合水溶液；

(2)将适量无水乙醇加入到步骤(1)中的混合水溶液中，然后再加入环糊精，得到混合溶液；

(3)将硫源与去离子水混合，并加入到步骤(2)所配置的混合溶液中，得到反应液，然后在60—80℃下干燥得到金属单原子催化剂的前驱体；

(4)将步骤(3)中制备的金属单原子催化剂的前驱体，在惰性氛围下焙烧，得到碳载金属单原子催化剂。