[发明专利]一种高载量的金属单原子催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于功能材料制备技术领域，公开一种高载量的金属单原子催化剂及其制备方法和应用。该方法是将三聚氰胺、对苯二甲醛和二甲基亚砜，惰性氛围下在175～180℃加热回流并搅拌，反应结束后将反应体系冷却至室温，产物经过滤和洗涤，然后在真空干燥去除溶剂，所得富氮多孔聚合物和金属乙酸盐加入到乙醇中超声，然后将分散体在50～90℃真空条件干燥得到粉末，将制得的SNW‑1@M粉末在惰性气氛下600～900℃碳化，经去离子水洗涤，真空干燥后，制得高载量的金属单原子催化剂；所述金属单原子催化剂中金属的载量为5～8wt％。本发明制得的金属单原子催化剂兼具高比表面积、高导电性，可用于吸附、储能和催化领域。

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，更具体地，涉及一种高载量的金属单原子催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

纳米材料由于其特殊的属性，包括表面与界面效应，量子效应，宏观量子隧道效应等，在过去的二十年间得到了研究者们的广泛关注。在催化领域，纳米材料的催化活性很大程度上来源于其表面存在的大量不饱和配位原子。因此，研究者们通过调控纳米颗粒的尺寸、形貌、晶面等去调控催化剂表面原子的分布和结构，以提高其催化性能。随着纳米催化的发展和表征技术的进步，研究者发现，当纳米颗粒的尺寸降低到团簇，甚至单原子时，其能级结构和电子结构会发生极大的变化，使单原子催化剂往往表现出不同于传统纳米催化剂的催化性能。另外，与纳米粒子相比，单原子催化剂具有最大的原子利用效率，可以完全将活性中心带到反应表面，进一步增强催化活性，并为实现金属资源的合理利用和实现原子经济提供了巨大的潜力。

2011年，中科院大连化物所张涛课题组成功制备了单原子Pt/FeO_x催化剂，并首次提出了“单原子催化”的概念(Nat.Chem.2011,3,634-640)。该催化剂在CO氧化和CO选择性氧化反应中表现出很高的催化活性和稳定性。随后，金属单原子催化剂由于其均匀的金属活性中心，独特的电子结构，理论上100％的金属原子利用效率等特点，在电催化产氢、氧还原、CO₂转化等领域得到了广泛关注和研究。除了优异的催化性能，单原子材料结构的简单性和均质性有助于活性位点的精确识别和表征，为从分子层次认识催化反应的机理提供了理想的模型和研究平台，并有助于在原子尺度上为目标反应实现合理的催化剂设计。单原子催化剂有望成为具有工业催化应用潜力的新型催化剂。

尽管金属单原子催化剂具有诸多优势，其面临的一个主要挑战是单原子活性位点的低浓度，这很大程度上限制了其催化活性。由于高表面能，孤立的单个金属原子很容易迁移和聚集成粒子。另外，金属单原子催化剂的制备通常需要高温(例如超过700℃)，而在高温条件下金属原子更容易迁移和聚集。因此，在实际的合成和反应条件下制备单原子催化剂并保持金属原子的分散性，尤其在高金属负载量的情况下保持单原子活性位点非常具有挑战性。在金属单原子催化剂中，金属氮碳单原子催化剂备受关注，尤其在电催化领域。这是由于氮不仅可以有效地固定和稳定碳上的单个金属原子，而且可以调节金属和碳原子的电子结构。此外，碳载体具有很高的导电性，有利于反应过程中的电子转移。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明目的在于提供一种高载量的金属单原子催化剂的制备方法。该方法是通过有机席夫碱反应制备富氮多孔聚合物；利用多孔聚合物中丰富的活性氮原子锚定金属原子；最后通过高温碳化得到高载量金属单原子催化剂(简写为SAM-NC)；金属以金属-氮-碳(简写为M-N-C)的键合方式在富氮多孔碳载体上呈原子级分散。

本发明的另一目的在于提供上述方法制得的高载量的金属单原子催化剂。该催化剂兼具高比表面积。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种高载量的金属单原子催化剂的制备方法，包括如下具体步骤：

S1.将三聚氰胺、对苯二甲醛和二甲基亚砜，惰性氛围下在175～180℃加热回流并搅拌，反应结束后将反应体系冷却至室温，产物经过滤和洗涤，然后在60～80℃下真空干燥去除溶剂，得到富氮多孔聚合物，简写为SNW-1；