一种单原子催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种单原子催化剂的制备方法，其包括以下步骤：将氯化铵、碳氮源和泡沫金属加入具有空间限域效果的反应容器，再置于保护气氛中进行煅烧，即得单原子催化剂。本发明专利技术的单原子催化剂制备方法具有工艺步骤简单、可操作性强、金属利用率高等优点，且可以制备出结构牢固的成型单原子催化剂，适于进行大规模生产和实际应用。生产和实际应用。生产和实际应用。

【技术实现步骤摘要】
一种单原子催化剂的制备方法


[0001]本专利技术涉及催化剂制备
，具体涉及一种单原子催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]单原子催化剂具有高的原子利用率和独特的量子效应，在CO氧化、氧还原、析氢反应、CO2电还原等多种反应中均表现出高活性和优异的选择性。单原子催化剂的制备方法分为物理方法和化学方法，物理方法包括质量分离
‑
软着陆法、原子层沉积法等，化学方法包括热解法、共沉淀法、浸渍法等，主要是将可溶性金属离子源与载体或者载体的前驱体混合，再经过干燥、洗涤、煅烧、酸洗等步骤制成单原子催化剂。然而，现有的物理方法普遍存在产量低、成本高等问题，而现有的化学方法普遍存在步骤繁琐、制备条件严苛等问题，均不适合规模化生产。
[0003]近年来，研究人员通过将金属块体或粉末通过干法工艺直接原子化，再与载体结合来制备单原子催化剂，该方法具有步骤简单、制备条件宽松等优点，但常规热扩散或球磨的方式存在金属的扩散效率和利用率低的问题，且金属单原子位点的分散不均匀，此外，现阶段制备的单原子催化剂多为粉体材料，需要先进行成型才能工业应用，实际应用并不方便。
[0004]因此，开发一种工艺步骤简单、可操作性强、金属利用率高、可以制备出成型的催化剂的单原子催化剂制备方法具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种单原子催化剂的制备方法。
[0006]本专利技术所采取的技术方案是：
[0007]一种单原子催化剂的制备方法包括以下步骤：将氯化铵、碳氮源和泡沫金属加入具有空间限域效果的反应容器，再置于保护气氛中进行煅烧，即得单原子催化剂。
[0008]优选的，所述氯化铵、碳氮源、泡沫金属的质量比为10～20:20～50:1。氯化铵在高温条件下分解生成的氯化氢对金属颗粒有较强的刻蚀作用，可以减少由碳氮源生长成的碳纤维中的金属颗粒或团簇。
[0009]优选的，所述碳氮源为三聚氰胺。
[0010]优选的，所述泡沫金属为泡沫镍、泡沫铁、泡沫铁镍、泡沫镍铜中的至少一种。泡沫金属可以催化碳氮源生长成碳纤维，且泡沫金属始终保持原始的框架结构，可以为成型单原子催化剂提供结构基础。
[0011]优选的，所述泡沫金属呈片状，厚度为0.3mm～2mm。
[0012]优选的，所述具有空间限域效果的反应容器由坩埚和盖板组成。具有空间限域效果的反应容器发挥空间限域作用，可以限制碳纤维在一定空间内生长，增加碳纤维之间的交织程度，从而增加了单原子催化剂的整体结构强度。
[0013]优选的，所述盖板为刚玉盖板、石英盖板、碳化硅盖板中的一种。
[0014]优选的，所述盖板的厚度≥3mm。
[0015]优选的，所述保护气氛为氩气气氛。
[0016]优选的，所述煅烧的具体过程为：先以5℃/min～10℃/min的升温速率从室温(25℃
±
5℃)升温至450℃～600℃，保温0.5h～1h，再以5℃/min～10℃/min的升温速率继续升温至700℃～1000℃，保温1h～5h。
[0017]一种如上所述的制备方法制成的单原子催化剂在电催化反应中的应用。
[0018]本专利技术的有益效果是：本专利技术的单原子催化剂制备方法具有工艺步骤简单、可操作性强、金属利用率高等优点，且可以制备出结构牢固的成型单原子催化剂，适于进行大规模生产和实际应用。
[0019]具体来说：
[0020]1)本专利技术通过一锅煅烧处理制备单原子催化剂，具有工艺步骤简单、可操作性强、原料廉价易得、易于操作、适合规模化生产等优点；
[0021]2)本专利技术可以直接实现块状金属到单原子催化剂的转化，金属利用率高；
[0022]3)本专利技术通过空间限域生长得到由碳纤维交织形成的结构牢固的成型单原子催化剂，该成型单原子催化剂可以进行切块或切片，可以直接作为独立支撑电极用于电催化反应，无需额外进行成型操作，实际应用方便。
附图说明
[0023]图1为实施例1中的反应容器的实物图。
[0024]图2为实施例1～4制备得到的单原子催化剂的实物图。
[0025]图3为实施例3制备得到的单原子催化剂的XRD图。
[0026]图4为实施例3制备得到的单原子催化剂的正面、侧面和切面的SEM图。
[0027]图5为实施例3制备得到的单原子催化剂的HAADF
‑
STEM图和元素分布图。
[0028]图6为实施例3制备得到的单原子催化剂在二氧化碳电还原中的电化学性能测试结果图。
[0029]图7为对比例1制备得到的单原子催化剂的DF
‑
TEM图。
[0030]图8为对比例1制备得到的单原子催化剂的实物图。
[0031]图9为对比例1制备得到的单原子催化剂的SEM图。
具体实施方式
[0032]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的解释和说明。
[0033]实施例1：
[0034]一种单原子催化剂的制备方法，其包括以下步骤：
[0035]将5g的氯化铵、10g的三聚氰胺和260mg的泡沫镍(片状，大小规格为54mm
×
24mm
×
1mm)加入内部大小规格为54mm
×
24mm
×
17mm的坩埚，再盖上大小规格为54mm
×
24mm
×
8mm的刚玉盖板(反应容器的实物图如图1所示)，再将坩埚置于管式炉中，充入氩气，控制氩气流量为10mL/min，以5℃/min的升温速率从室温升温至550℃，保温0.5h，再以5℃/min的升温速率继续升温至700℃，保温3h，冷却至室温，即得单原子催化剂(实物图如图2所示)。
[0036]性能测试：
[0037]将5mg本实施例制备得到的单原子催化剂加入由600μL的去离子水和340μL的无水乙醇组成的混合溶液中，再加入60μL质量分数为5％的Nafion溶液后超声30min制成催化剂分散液，再取100μL的催化剂分散液涂敷在大小规格为1cm
×
1cm的疏水碳纸上，再进行干燥制成电极片，再将电极片用电极夹组装成工作电极，铂片作为辅助电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，浓度0.5mol/L的碳酸氢钾溶液作为电解液，测试线性扫描曲线和不同电位下产物CO的法拉第效率。
[0038]经测试，本实施例制备得到的单原子催化剂在二氧化碳电还原中表现出优异的电化学性能，产物CO的法拉第效率最高可达90％以上。
[0039]实施例2：
[0040]一种单原子催化剂的制备方法，其包括以下步骤：
[0041]将5g的氯化铵、10g的三聚氰胺和260mg的泡沫镍(片状，大小规格为54mm
×
24mm
×
1mm)加入内部大小规格为54mm
×
24mm
×
17mm的坩埚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将氯化铵、碳氮源和泡沫金属加入具有空间限域效果的反应容器，再置于保护气氛中进行煅烧，即得单原子催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氯化铵、碳氮源、泡沫金属的质量比为10～20:20～50:1。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述碳氮源为三聚氰胺。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述泡沫金属为泡沫镍、泡沫铁、泡沫铁镍、泡沫镍铜中的至少一种。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述泡沫金属呈片状，厚度为0.3mm～2mm。6.根据权利要求1或2所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：余皓，张海，王红娟，曹永海，王浩帆，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：