一种贵金属钌单原子负载型催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种贵金属钌单原子负载型催化剂及其制备方法和应用。该催化剂包括硫化物载体和以单原子形式分散在其表面的钌，以钌基催化剂的质量计，钌单原子的占比为0.01-10％。本发明专利技术催化剂的CO2吸附能力、光生电荷分离能力、光吸收能力、光热转换能力等方面的性质得到明显提升。其制备方法具有制备简单，快速，节约成本，可实现高比重的贵金属钌在硫化镉表面的单原子分散；采用该方法制备的单原子分散的钌贵金属催化剂在提高贵金属分散度降低贵金属使用成本的同时保证催化剂光热催化还原CO2及高CH4选择性。选择性。选择性。

【技术实现步骤摘要】
一种贵金属钌单原子负载型催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于CO2还原催化剂材料
，具体涉及一种贵金属单原子负载型催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着工业社会的高速发展，化石能源的日益消耗不仅造成CO2的排放量迅速增加，引起“温室效应”等一系列环境问题，同时也造成不可再生资源的短缺。因此，如何利用CO
2“变废为宝”，已成为全球的热点课题之一。
[0003]目前，利用催化还原CO2的主要方法有电化学、生物电化学、热催化和光催化等。其中，热催化方法需要较高温度进行反应，增加了能源消耗，同时会造成催化剂的烧结和失活，缩短了催化剂的寿命，对催化剂的高温稳定性是一种考验；电化学方法要求在溶液中完成，析氢反应对产物纯度造成较大影响；对于生物电化学方法来说，微生物的生存环境对反应效率影响较大；而利用太阳能进行反应的光催化是一项环境友好和前景广阔的手段。但光催化剂存在吸收波段窄、光生电荷复合快、量子效率低和产物选择性差等问题。因此，开发出具有高催化活性和产物选择性的光催化剂是一项很有意义的工作。

技术实现思路

[0004]为改善上述问题，本专利技术提供了一种贵金属钌基催化剂，所述催化剂包括硫化物载体和以单原子形式分散在载体表面的贵金属钌。
[0005]根据本专利技术的实施方案，所述硫化物可以为硫化镉、硫化钼和硫化锌等中的至少一种，优选为硫化镉。
[0006]根据本专利技术的实施方案，以所述钌基催化剂的质量计，钌单原子的占比为0.01-10％，例如0.05-8％，示例性为0.1％、0.2％、0.3％、0.5％、1％、1.5％、3％、4％、5％。
[0007]根据本专利技术的实施方案，钌单原子均匀分散在所述载体上。
[0008]根据本专利技术的实施方案，所述钌基催化剂为粉末状。例如，所述钌基催化剂的粒径为20-250nm，例如30-200nm，示例性为50nm。例如，所述钌基催化剂的比表面积为10-150m2/g，例如20-100m2/g，示例性为34m2/g。
[0009]根据本专利技术的实施方案，所述硫化物载体为任一形貌硫化物载体，优选为纳米棒状，示例性为硫化镉纳米棒。
[0010]根据本专利技术的实施方案，所述钌基催化剂可以为0.1％Ru/CdS、0.5％Ru/CdS、1％Ru/CdS、3％Ru/CdS。
[0011]本专利技术提供上述钌基催化剂的制备方法，其包括如下步骤：
[0012](1)将载体和碳酸铵分散于去离子水中，得到悬浮液；
[0013](2)向所述悬浮液中滴加钌盐水溶液，搅拌反应，反应产物经洗涤、烘干、氢还原处理，得到所述贵金属基催化剂。
[0014]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，所述载体具有如上文所述的含义，优选为
CdS。其中，所述CdS载体可以由水热反应制备得到。例如，所述CdS载体的制备过程包括：将二水醋酸镉和L-半胱氨酸加入去离子水中，不断搅拌至形成奶白色溶液，向溶液中加入乙醇胺，再不断搅拌至形成透明溶液，经水热反应后，对反应产物进行后处理，得到所述CdS载体。比如，所述二水醋酸镉、L-半胱氨酸和乙醇胺的摩尔比可以为1:(1.2-4):(40-80)，示例性为1:2:67。比如，所述二水醋酸镉与去离子水的摩尔体积比为1:(20-50)mol/L，示例性为1:36mol/L。比如，所述水热反应的温度为160-200℃，示例性为180℃；所述水热反应的时间为10-40h，示例性为24h。比如，所述后处理包括对反应产物进行洗涤、烘干。
[0015]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，所述载体、碳酸铵和去离子水的配比为1g:(10-40)mmol:(80-150)mL，例如为1g:(15-35)mmol:(90-130)mL，示例性为1g:25mmol:125mL。
[0016]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，可以先将载体分散于去离子水中，再向其中加入碳酸铵水溶液，至体系混合均匀。其中，所述分散可以为本领域已知分散方式，例如超声和/或搅拌。其中，所述碳酸铵水溶液的浓度为0.5-2mol/L，例如为0.8-1.5mol/L，示例性为1mol/L。其中，所述碳酸铵水溶液的用量可以为10-50mL，例如为15-40mL，示例性为25mL。碳酸铵的加入有利于贵金属在载体表面的分散。
[0017]根据本专利技术的实施方案，步骤(2)中，所述钌盐可以选自氯化钌、溴化钌、硝酸钌、亚硝酸钌、硫酸钌和醋酸钌等中的至少一种，例如选自氯化钌、溴化钌和硝酸钌中的至少一种，示例性为氯化钌。
[0018]根据本专利技术的实施方案，步骤(2)中，所述钌盐与所述载体的质量比为0.01-5wt％，例如0.05-4.5wt％，示例性为0.1-3wt％。
[0019]根据本专利技术的实施方案，步骤(2)中，所述钌盐水溶液的浓度可以为1-5mg/mL，例如1.5-4.5mg/mL，示例性为2.58mg/mL。
[0020]根据本专利技术的实施方案，步骤(2)中，所述搅拌反应的时间为10-36h，例如12-24h，示例性为12h、15h、20h。
[0021]根据本专利技术的实施方案，步骤(2)中，所述反应在室温下进行，例如室温为15-40℃，比如为20-30℃。
[0022]根据本专利技术的实施方案，步骤(2)中，所述洗涤可以为采用无水乙醇和去离子水进行交替多次洗涤。
[0023]根据本专利技术的实施方案，步骤(2)中，所述烘干的温度为70-90℃，例如75-85℃，示例性为80℃。其中，所述烘干的时间为2-8h，例如3-7h，示例性为4h、5h、6h。
[0024]根据本专利技术的实施方案，步骤(2)中，所述氢还原处理的温度为200-400℃，例如为200-300℃，示例性为200℃。其中，所述氢还原处理的时间为2-8h，例如3-7h，示例性为4h、5h、6h。其中，所述氢还原处理的气氛为超纯氢气。
[0025]根据本专利技术的实施方案，所述钌基催化剂的制备方法包括如下步骤：
[0026](a)将二水醋酸镉和L-半胱氨酸加入去离子水中，不断搅拌至形成奶白色溶液，向溶液中加入乙醇胺，再不断搅拌至形成透明溶液，经水热反应后，对反应产物进行后处理，得到CdS载体；
[0027](b)将所述CdS载体和碳酸铵分散于去离子水中，得到混合物；
[0028](c)向所述混合物中滴加钌盐水溶液，搅拌反应，反应产物经洗涤、烘干、氢还原处
理，得到所述钌基催化剂。
[0029]本专利技术还提供由上述方法制备得到的钌基催化剂。优选地，所述钌基催化剂具有如上文所述的含义。
[0030]本专利技术还提供所述钌基催化剂在光热催化还原CO2中的应用。
[0031]本专利技术的有益效果：
[0032]本专利技术提供了一种以光热协同催化CO2还原和高CH4选择性的贵金属基催化剂及其制备方法与应用，尤其是一种高分散贵金属钌单原子负载硫化镉催化剂，钌单原子和催化剂载体紧密结合。首先，钌单原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钌基催化剂，其特征在于，所述催化剂包括载体和以单原子形式分散在其表面的钌；所述载体为硫化镉、硫化钼和硫化锌中的至少一种。2.根据权利要求1所述的钌基催化剂，其特征在于，以所述钌基催化剂的质量计，钌单原子的占比为0.01-10％；优选地，所述钌单原子均匀分散在所述载体上；优选地，所述载体为任一形貌载体，优选为纳米棒状。3.根据权利要求1或2所述的钌基催化剂，其特征在于，所述钌基催化剂为粉末状；优选地，所述钌基催化剂的粒径为20-250nm；优选地，所述钌基催化剂的比表面积为10-150m2/g；优选地，所述钌基催化剂为0.1％Ru/CdS、0.5％Ru/CdS、1％Ru/CdS、3％Ru/CdS。4.权利要求1-3任一项所述钌基催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将载体和碳酸铵分散于去离子水中，得到悬浮液；(2)向所述悬浮液中滴加钌盐水溶液，搅拌反应，反应产物经洗涤、烘干、氢还原处理，得到所述贵金属基催化剂。5.根据权利要求4所述钌基催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述载体具有如权利要求1所述的含义，优选为CdS载体；优选地，所述CdS载体由水热反应制备得到；优选地，所述CdS载体的制备过程包括：将二水醋酸镉和L-半胱氨酸加入去离子水中，不断搅拌至形成奶白色溶液，向溶液中加入乙醇胺，再不断搅拌至形成透明溶液，经水热反应后，对反应产物进行后处理，得到所述CdS载体。6.根据权利要求4或5所述钌基催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述载体、碳酸铵和去离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾宏鹏，蔡松财，
申请(专利权)人：中国科学院城市环境研究所，
类型：发明
国别省市：