一种三明治型单原子串联催化剂方法技术

本发明专利技术涉及一种三明治型单原子串联催化剂方法，属于材料科学与工程技术和化学领域。本发明专利技术方法制备的三明治型单原子串联催化剂所含过渡族金属元素为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)中的任意一种或多种。首先将乙酸盐与双聚氰胺配置成相应的均匀前驱体粉料A，通过一系列简单的热处理步骤，制备出原子级分散的金属材料B。随后将材料B喷涂在碳纸电极上制成材料C，最后在材料C表面溅射相应金属元素的纳米层，即可三明治型单原子串联催化剂。本发明专利技术具有操作简单、产量可控、可拓展性高等优点，相对于传统制备单原子催化剂的方法具有易操作、产量高、性能卓越等优势。性能卓越等优势。性能卓越等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种三明治型单原子串联催化剂方法
(2)

[0001]本专利技术涉及三明治型单原子串联催化剂方法，属于材料科学与工程技术和化学领域。
(3)
技术介绍

[0002]超过80％的工业过程使用催化剂来提高所需反应的速率。理想情况下，催化剂对该反应的活性高于其对副反应的活性，因此相对于未催化的过程，选择性也有所提高。根据催化剂和反应物存在的相，催化可分为均相、多相或生物催化。所有三类催化剂通常都具有以金属中心为特征的活性位点。均相催化剂通常在定义明确的配位环境中具有金属位点，该配位环境包含有机配体，这些有机配体是合成的或本质上是蛋白质的。后者位点位于酶的中心，酶的活性构成了细菌等生物催化剂的基础。多相催化剂采用金属或离子化合物的形式，它们可以是裸露的或用作金属团簇或纳米粒子(NP)的基材。这样的催化剂即使在相对苛刻的反应条件下(如高温和高压)也很稳定，并且很容易与反应物和产物分离。凭借这种稳健性，多相催化剂在大规模工业过程中占据主导地位。
[0003]多相催化通常发生在固体催化剂的表面，理想情况下，固体催化剂具有高表面积与体积比。例如，较小的金属颗粒比较大的金属颗粒具有更高比例的表面原子。该分数不仅对具有催化活性的金属原子分数(以下称为金属原子利用率)有影响，而且对选择性也有重大影响。均相分子催化剂的金属原子利用率可以达到100％——这个数字可能比多相催化剂高出几个数量级。事实上，多相催化剂可能具有数百和/或数千个金属原子的不均匀聚集体，其中只有一小部分暴露于反应物。例如，在顶点、边缘、台阶和拐角处的反应性、配位不饱和金属原子通常占总金属原子的不到20％。提高催化剂的金属原子利用率对于由用金属装饰的固体基底组成的多相催化剂尤为重要，我们依赖它们在催化剂中的存在可以控制车辆排放、生产化学品、提炼石油和用于燃料电池。因此，长期以来人们一直对制造以原子级分散的金属原子为强大活性中心(100％原子利用效率)为特征的多相金属催化剂感兴趣。
[0004]这种方法将结合典型的均相和多相催化剂的优点。在过去的几年中，已经积极研究了具有原子分散的金属原子的多相催化剂。然而，由于单原子多相催化剂对反应中某种特定的中间体的超强吸附或限域效应限制该反应的更为高级的应用，如二氧化碳电还原反应过程中，单原子多相催化剂对*CO中间体的特异性吸附导致该材料发生反应时对二氧化碳转化为一氧化碳的选择性极高，这反而限制了C2产物的生成。因此，有必要对单原子多相催化剂的应用拓展，以达到低成本情况下转化或合成高附加值产物的目的。
(4)
技术实现思路

[0005]1、本专利技术的目标
[0006]本专利技术的目的是提出一种三明治型单原子串联催化剂方法，利用单原子材料特异性吸附及纳米级金属材料的独特物理化学属性，制备三明治型单原子串联催化剂以适用多种电化学领域需求与应用，从而显著降低单原子催化剂商业化应用的成本。
[0007]2、本技术的专利技术要点
[0008]本专利技术要点如下：
[0009](1)按照乙酸盐与双聚氰胺的摩尔比为1:100配置一定量的前驱体粉料A。所述金属元素为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)中的任意一种或多种，所述乙酸盐为乙酸锰(C2H
11
MnO6)、乙酸铁(C6H9FeO6)、乙酸钴(C2H4CoO2)、乙酸镍(C4H6NiO4)、乙酸铜(C2H4CuO2)中的任意一种或多种；
[0010](2)将上述步骤(1)制备的粉料A，使用16Mpa的压力压成薄片或小丸。随后在氩气保护的管式炉中退火7小时。最后冷却至室温，反复清洗得到原子级分散的金属材料B。管式炉升温速率为5℃/分钟，退火条件为，350℃退火3小时，650℃退火3小时，1000℃退火1小时。
[0011](3)取40mg的金属材料B溶解于3毫升异丙醇和200微升Nafion117的混合溶液中，溶液超声10分钟后，将溶液喷涂在2cm x 4cm的碳纸电极上，制成材料C。
[0012](4)在材料C表面溅射与金属材料B相对应的金属纳米层，随后不断重复步骤(3)和步骤(4)，直至达到符合产品需求的堆叠厚度。所述金属元素为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)中的任意一种或多种，所述金属纳米层可选厚度范围为20纳米
‑
150纳米，例如20纳米、50纳米、100纳米、150纳米。
[0013](5)本专利技术的附图
[0014]图1是本专利技术方法制备的三明治型铜单原子串联催化剂的工艺示意图。
[0015](6)本专利技术实施例
[0016]以下介绍本专利技术方法的实施例：
[0017]实施例1
[0018]三明治型铜单原子串联催化剂的制备。
[0019]首先，按照乙酸铜与双聚氰胺的摩尔比为1:100配置一定量的前驱体粉料A，并使用16Mpa的压力将粉料A压成薄片或小丸。随后在氩气保护的管式炉中退火7小时。最后冷却至室温，反复清洗得到原子级分散的金属材料B。管式炉升温速率为5℃/分钟，退火条件为，350℃退火3小时，650℃退火3小时，1000℃退火1小时。取40mg的金属材料B溶解于3毫升异丙醇和200微升Nafion117的混合溶液中，溶液超声10分钟后，将溶液喷涂在2cm x 4cm的碳纸电极上，制成材料C。之后，在材料C表面溅射与金属材料B相对应的20纳米的铜纳米层，随后可以不断交替重复金属材料B喷涂和电极表面溅射金属纳米层，直至达到符合产品需求的堆叠厚度。
[0020]实施例2
[0021]三明治型铜单原子串联催化剂的制备。
[0022]首先，按照乙酸铜与双聚氰胺的摩尔比为1:100配置一定量的前驱体粉料A，并使用16Mpa的压力将粉料A压成薄片或小丸。随后在氩气保护的管式炉中退火7小时。最后冷却至室温，反复清洗得到原子级分散的金属材料B。管式炉升温速率为5℃/分钟，退火条件为，350℃退火3小时，650℃退火3小时，1000℃退火1小时。取40mg的金属材料B溶解于3毫升异丙醇和200微升Nafion117的混合溶液中，溶液超声10分钟后，将溶液喷涂在2cm x 4cm的碳纸电极上，制成材料C。之后，在材料C表面溅射与金属材料B相对应的50纳米的铜纳米层，随后可以不断交替重复金属材料B喷涂和电极表面溅射金属纳米层，直至达到符合产品需求
的堆叠厚度。
[0023]实施例3
[0024]三明治型铜单原子串联催化剂的制备。
[0025]首先，按照乙酸铜与双聚氰胺的摩尔比为1:100配置一定量的前驱体粉料A，并使用16Mpa的压力将粉料A压成薄片或小丸。随后在氩气保护的管式炉中退火7小时。最后冷却至室温，反复清洗得到原子级分散的金属材料B。管式炉升温速率为5℃/分钟，退火条件为，350℃退火3小时，650℃退火3小时，1000℃退火1小时。取40mg的金属材料B溶解于3毫升异丙醇和200微升Nafion117的混合溶液中，溶液超声10分钟后，将溶液喷涂在2cm x 4cm的碳纸电极上，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三明治型单原子串联催化剂方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)按照乙酸盐与双聚氰胺的摩尔比为1:100配置一定量的前驱体粉料A。所述金属元素为锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)中的任意一种或多种，所述乙酸盐为乙酸锰(C2H
11
MnO6)、乙酸铁(C6H9FeO6)、乙酸钴(C2H4CoO2)、乙酸镍(C4H6NiO4)、乙酸铜(C2H4CuO2)中的任意一种或多种；(2)将上述步骤(1)制备的粉料A，使用16Mpa的压力压成薄片或小丸。随后在氩气保护的管式炉中退火7小时。最后冷却至室温，反复清洗得到原子级分散的金属材料B。管式炉升温速率...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷鸣，赵泽璧，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：