[发明专利]一种金属单原子催化剂及其制备方法

说明书

一种金属单原子催化剂及制备方法，将半导体金属氧化物与空穴牺牲剂溶液混合，搅拌均匀，并采用惰性气体吹扫，在光源下照射，得到还原性金属氧化物分散液；将单原子源液滴加到上述还原性金属氧化物分散液中，避光搅拌，分离，烘干，得到金属单原子催化剂；其中，单原子源液中单原子的质量比为半导体金属氧化物质量的0.01‑10％。本发明利用半导体金属氧化物内部存储的光生电子，实现金属单原子在氧化物表面的稳定、高通量负载。本发明金属氧化物存储的电子触发单原子负载，电子释放缓慢，在催化剂表面分散均匀，避免了金属单原子长大为纳米颗粒的缺陷。相较于现有的制备方法，本发明操作简单，单原子负载量大，结构稳定，可大量生产。

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，具体涉及一种金属单原子催化剂及其制备方法。

背景技术

在过去的几十年里，纳米材料引领了催化技术的进步。纳米材料与块体材料相比，拥有更大比表面积，能够暴露更多催化活性位点。随着纳米材料尺寸减小，原子配位不饱和度提高，从而表现出更高的催化活性。此外，纳米材料尺寸减小能暴露更多活性位点，进一步提高原子利用率。那么，如果催化材料的尺寸被减小到理论极限，将会得到单原子催化剂。

首先，单原子催化剂拥有单一的、配位不饱和的活性位点，具有极高活性和选择性。其次，单原子将所有的活性位点都暴露出来，实现了最大的原子利用率。在环境催化中，常用贵金属作为助催化剂，例如，Pd催化剂在去除饮用水中的一些典型污染物中得到了大量的应用。当Pd以直径为5nm的纳米颗粒形式存在时，78.6％的Pd原子被埋藏在催化剂的内部而无法发挥出其催化活性。而当Pd以单原子的形式存在，得到相同数量的活性位点时可减少220倍Pd的使用量，这无疑存在巨大的经济价值。另外，单原子催化剂活性位点均一，并且具有均相催化和非均相催化的特点，适合用于环境催化过程和机理研究。总之，单原子催化剂能为碳中和、新能源、水资源、医药化工等一系列问题的解决提供新原理和新思路。

然而，随着尺寸的减小，金属粒子的表面能将会急剧增大，从而自发的聚集成较大的金属粒子。因此，单原子催化剂制备的缺乏限制了其进一步的规模化应用。为了实现单原子催化剂的实际应用，亟需开发简单高效的单原子制备方法。

在传统的光沉积方法中，直接将单原子源溶液与半导体氧化物混合，在光照条件下，还原性的光生电子聚集在半导体氧化物的导带周围，接触金属单原子后，会将光生电子转移到金属单原子上，实现单原子的负载。但是，导带附近一旦沉积了金属单原子，光生电子就会转移到金属单原子上，使得溶液中的金属源趋向于负载到金属单原子上，导致最初负载的金属单原子迅速长大为金属团簇或者纳米颗粒，从而失去了金属单原子的优势。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供了一种金属单原子催化剂及其制备方法，该方法制备的催化剂催化效率高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种金属单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将半导体金属氧化物与空穴牺牲剂溶液混合，搅拌均匀，并采用惰性气体吹扫，在光源下照射，得到还原性金属氧化物分散液；

将单原子源液滴加到上述还原性金属氧化物分散液中，避光搅拌，分离，烘干，得到金属单原子催化剂；其中，单原子源液中单原子的质量比为半导体金属氧化物质量的0.01-10％。

进一步的，半导体金属氧化物为MnO₂、MoO₃、V₂O₅、Fe₂O₃、WO₃、VO₂、Co₃O₄、SnO₂、TiO₂、ZnO、Nb₂O₅、CeO₂与Cu₂O中的一种。