一种炭载双金属单原子催化剂及其制备方法

1.本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种碳载体负载的双金属单原子催化剂及其制备方法。


背景技术：

2.在工业催化剂中，负载型金属催化剂占比70％以上，尤其负载型贵金属催化剂，广泛用于各种催化剂反应，如加氢异构，醋酸加氢、电化学、羰基合成、合成气转化、三效催化剂、航天催化等。在工业生产中，负载型金属催化剂往往呈现为纳米颗粒，其具有较好的热稳定性和化学稳定性，在工业生产扮演了重要的催化角色，为大宗化学品生产做出了重要的贡献。但是，对于负载纳米金属催化剂，往往只有表面暴露的原子才具有催化剂活性，这就使得其金属原子利用效率降低，尤其是资源有限的贵金属，会造成资源的浪费。
3.与此同时，科研人员发现，金属催化剂催化活性与其纳米尺寸、形貌、晶相等具有密切关系。负载型金属团簇催化剂的高活性归因于其金属活性组分在高比表面积载体上以高度分散的纳米团簇形式存在，可以充分利用催化活性位点，进而提高了催化剂的反应活性和金属原子利用率。为了使负载型金属催化剂上每个金属原子的催化效果达到最佳，研究者不断减小活性金属的颗粒尺寸。
4.最新的实验和理论研究发现，亚纳米团簇比纳米级粒子具有更好的催化活性或选择性。从理论上讲，负载型金属催化剂分散的极限是金属以单原子的形式均匀分布在载体上，这不仅是负载型金属催化剂的理想状态，而且也将催化科学带入到一个更小的研究尺度-单原子催化。对于高负载量的金属催化剂，在催化反应过程中只有极少数金属活性组分起催化作用。相比较而言，每个金属原子都作为活性位的单原子催化剂在效率上“以一当十”，而传统负载型金属催化剂的金属利用效率远远低于理想水平。特别是对于贵金属来说，大量使用无疑增加了催化剂成本，不利于在工业生产中进行规模化应用。因此，为了最大限度地发挥贵金属的催化效率，降低制造成本，制备单原子金属催化剂成为研究者的重要选择。
5.单原子金属催化剂，具有金属单原子级分散和单催化活性位特点，自2011年起，凭借其近100％的金属原子利用效率，更多配位不饱和位，以及理想的均相催化多相化研究模型，引起人们的广泛关注，相较于其他纳米或亚纳米催化剂而言，具有非常高的催化效率。此外，单原子金属催化剂兼具均相催化剂均匀单一的活性中心和多相催化剂稳定易分离的特点，将多相催化与均相催化联系在一起，在氧化、还原、水煤气转化、电催化等方面表现出优异的催化性能。
6.然而，由于单金属原子催化剂具有高的表面能、可迁移性，容易团聚，在催化反应过程中保持较高的稳定性是一个重大的挑战。这不仅限制了单原子催化剂的实际应用，也导致了其活性中心的精细结构难以解析，反应构效关系难以建立。
7.此外，相较于单金属活性位点催化剂，双金属活性位点催化剂更具吸引力，它不仅具有单点催化的本质特性，还具有双催化活性位点，往往表现出更佳的催化活性，可以实现
不同反应的在相邻位点上的串联催化。其过程既可以表现为双活性位点协同催化，也可以表现为双活性位点接力催化。在双金属活性位点催化剂中，其不同的金属活性位点之间既能表现出协同催化，又可以表现为串联催化。
8.但是目前，负载型双金属单原子催化剂的制备非常少，深圳市国创新能源研究院报道了一种利用电化学方法(cn 108682870 b)，制备了金属有机骨架掺氮缺陷碳负载的pt基双金属单原子催化剂。天津大学报道了一种原子层积技术制备ru-pt/tio2催化剂(cn 108993487 b)，其催化剂在合成氨反应中寿命更长，有较强的抗中毒能力，大大降低了反应活化能，催化效率大幅度提升。李亚栋院士等利用高分子聚合物聚合-热解-挥发(ppe)方法制备了聚酞菁负载的znfe催化剂，在电化学中表现出了优异的催化活性(angew.chem.int.ed.2018,57,8614
–
8618)。上海应用技术大学报道一种利用聚乙烯醇制备氧化石墨烯负载的cuni双金属单原子催化剂(cn 110479342 a)。以上这些方法步骤复杂、条件苛刻、所需仪器昂贵，金属负载量很低，或某一方法只对特定金属有效，这些缺陷要求需要发展一种操作简单，对多种金属都有作用的制备超高分散负载型双金属单原子催化剂的方法。


技术实现要素：

9.本技术在于提供一种炭载体双金属单原子催化剂的制备方法，工艺新颖简单，普适性强，可批量生产高载量，高分散，稳定性强的碳基载体负载的双金属单原子催化剂。
10.本发明的技术方案为：
11.一种炭载体双金属单原子催化剂及其制备方法。该催化剂包括炭载体和活性金属n和m，n和m分别为铱、铑、铂、钌、金、银、铼、钴、镍、铬、锡中的一种金属，且n和m不相同，金属n和m分别以含羰基和卤素配体的单核络合物形式原子级单分散在炭载体的表面；其制备方法简单描述为先制备炭载双金属纳米颗粒催化剂，再利用一氧化碳和含卤物质(卤素、氢卤酸或卤代烃)和金属纳米颗粒的反应，对其进行原位原子级单分散热处理，从而制得炭载双金属单原子催化剂。
12.其负载的金属n和m在催化剂中的质量含量百分占比为0.05～5％，优选占比为0.1～3％，进一步优选占比为0.1～1％；
13.其负载的金属n和m均为原子级单分散的含羰基和卤素配体的单核络合物。
14.所使用的炭载体可为椰壳炭、介孔炭、石墨烯、或者碳纳米管的一种。
15.根据权利1所述的炭载双金属单原子催化剂的制备方法，简述为：先制备炭载体负载的双金属纳米颗粒，再利用一氧化碳和含卤物质(卤素、氢卤酸或卤代烃)-与金属n和m反应，对其进行原位原子级分散的热处理反应，即可制得炭载双金属单原子催化剂。
16.所述的炭载双金属纳米颗粒，可以通过制备含有双金属n和m的前驱液等体积浸渍炭载体、惰性气体焙烧(300℃-500℃)、氢气还原(300℃-500℃)等方式制备；
17.所用到的卤素、氢卤酸或卤代烷烃，包括氯气、溴气、碘单质，氯化氢、溴化氢、碘化氢，氯甲烷、溴甲烷、溴乙烷、溴丙烷、碘甲烷、碘乙烷、碘丙烷、碘苯等。优选溴、碘、溴化物或者碘化物，进一步优选碘或碘化物。
18.卤素或卤代烷烃的引入方式既可以通过一氧化碳鼓泡的形式引入，也可以通过泵进料的形式引入。
sn/mc；然后用一氧化碳和溴甲烷的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:ch3br＝2)于240℃处理2h，得到的介孔炭负载的双金属单原子催化剂，记为样品ir
1-sn1/mc。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子ir-sn催化剂。
30.实施例3
31.量取0.27grhcl3和0.18gcocl2溶于15ml的去离子水中，得到rhcl
3-cocl2的前驱体溶液，然后浸渍10.0石墨烯。90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，然后用氢气350℃还原2h，得到石墨烯负载的负载量各为1％的rh-co纳米催化剂，记为样品rh-co/go；然后用一氧化碳和氯甲烷的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:ch3cl＝2)于240℃处理2h，得到石墨烯负载的双金属单原子催化剂，记为样品rh
1-co1/go。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子rh-co催化剂。
32.实施例4
33.量取0.54gmncl2和0.27grhcl3溶于15ml的去离子水中，得到mncl
2-rhcl3的前驱体溶液，然后浸渍10.0g碳纳米管。90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，然后用氢气400℃还原2h，得到碳纳米管负载的负载量各为1％的mn-rh纳米催化剂，记为样品mn-rh/cnts；然后用一氧化碳和碘化氢的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:hi＝2)于240℃处理2h，得到的碳纳米管负载的双金属单原子催化剂，记为样品mn
1-rh1/cnts。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子rh-mn催化剂。
34.实施例5
35.量取0.27gcrcl3和0.44gh2ptcl4
·
6h2o溶于15ml的去离子水中，得到crcl
3-h2ptcl4的前驱体溶液，然后浸渍10.0g椰壳炭。90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，然后用氢气400℃还原2h，得到活性炭负载的负载量各为1％的cr-pt纳米催化剂，记为样品cr-pt/ac；然后用一氧化碳和溴化氢的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:hbr＝2)于240℃处理2h，得到的活性炭负载的双金属单原子催化剂，记为样品cr
1-pt1/ac。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子cr-pt催化剂。
36.实施例6
37.量取0.54gagno3和0.54gircl3溶于15ml的去离子水中，得到agno
3-ircl3的前驱体溶液，然后浸渍10.0g椰壳炭。90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，然后用氢气300℃还原2h，得到活性炭负载的负载量各为1％的ag-ir纳米催化剂，记为样品ag-ir/ac；ag-ir/ac在5％的o2/ar混合气下钝化处理4h，然后用一氧化碳和氯化氢的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:hcl＝2)于240℃处理2h，得到的活性炭负载的双金属单原子催化剂，记为样品ag
1-ir1/ac。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子ir-ag催化剂。
38.实施例7
39.量取0.27grhcl3和0.40ghaucl4
·
4h2o溶于15ml的去离子水中，得到rhcl
3-haucl4的前驱体溶液，然后浸渍10.0g椰壳炭。90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙
烧4h，然后用氢气300℃还原2h，得到活性炭负载的负载量各为1％的rh-au纳米催化剂，记为样品rh-au/ac；然后用一氧化碳和氯气的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:cl2＝2)于240℃处理2h，得到的活性炭负载的双金属单原子催化剂，记为样品rh
1-au1/ac。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子rh-au催化剂。
40.实施例8
41.量取0.54gircl3和0.80ghaucl4
·
4h2o溶于15ml的去离子水中，得到ircl
3-haucl4的前驱体溶液，然后浸渍10.0g椰壳炭。90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，然后用氢气300℃还原2h，得到活性炭负载的负载量各为1％的ir-au纳米催化剂，记为样品ir-au/ac；ir-au/ac在5％的o2/ar混合气下钝化处理4h，然后用一氧化碳和碘甲烷的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:ch3i＝2)于240℃处理2h，得到的活性炭负载的双金属单原子催化剂，记为样品ir
1-au1/ac。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子ir-au催化剂。
42.实施例9
43.量取0.88gh2ptcl4
·
6h2o和0.80ghaucl4
·
4h2o溶于15ml的去离子水中，得到h2ptcl4-haucl4的前驱体溶液，然后浸渍10.0g椰壳炭。90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，然后用氢气300℃还原2h，得到活性炭负载的负载量各为1％的pt-au纳米催化剂，记为样品pt-au/ac；然后用一氧化碳和碘乙烷的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:ch3ch2i＝2)于240℃处理2h，得到活性炭负载的双金属单原子催化剂，记为样品pt
1-au1/ac。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子pt-au催化剂。
44.实施例10
45.量取0.88gh2ptcl4
·
6h2o和0.64gnicl2·
6h2o溶于15ml的去离子水中，得到h2ptcl4-nicl2的前驱体溶液，然后浸渍10.0g椰壳炭。90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，然后用氢气300℃还原2h，得到活性炭负载的负载量各为1％的pt-ni纳米催化剂，记为样品pt-ni/ac；然后用一氧化碳和碘苯的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:c6h5i＝2)于240℃处理2h，得到的活性炭负载的双金属单原子催化剂，记为样品pt
1-ni1/ac。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子pt-ni催化剂。
46.实施例11
47.量取0.36gircl3和0.80ghaucl4
·
4h2o溶于15ml的去离子水中，得到ircl
3-haucl4的前驱体溶液，然后浸渍10.0g椰壳炭。90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，h
2 300℃还原2h，得到活性炭负载的负载量各为1％的ir-au纳米催化剂，记为样品ir-au/ac；ir-au/ac在5％o2/ar混合气下钝化处理4h，然后用一氧化碳和溴乙烷的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:ch3ch2br＝2)于240℃处理2h，得到的活性炭负载的双金属单原子催化剂，记为样品ir
1-au1/ac。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子ir-au催化剂。
48.实施例12
49.量取0.36gircl3和0.53grucl3溶于15ml的去离子水中，得到ircl
3-rucl4的前驱体
溶液，然后浸渍10.0g椰壳炭，90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，h
2 300℃还原2h，得到活性炭负载的负载量各为1％的ir-ru纳米催化剂，记为样品ir
1-ru1/ac；ir-ru/ac在5％的o2/ar混合气下钝化处理4h，然后用一氧化碳和碘丙烷的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:ch3ch2ch2i＝2)于240℃处理2h，得到活性炭负载ir-ru双金属单原子催化剂，记为样品ir
1-ru1/ac。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子ir-ru催化剂。
50.实施例13
51.量取0.54grhcl3和0.64ghreo4·
4h2o溶于15ml的去离子水中，得到rhcl
3-hreo4的前驱体溶液，然后浸渍10.0g椰壳炭。90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，h
2 300℃还原2h，得到活性炭负载的负载量各为1％的rh-re纳米催化剂，记为样品rh-re/ac；然后用一氧化碳和碘甲烷的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:ch3i＝2)于240℃处理2h，得到的活性炭负载的双金属单原子催化剂，记为样品rh
1-re1/ac。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子rh-re催化剂。
52.实施例14
53.量取0.54grucl3和0.64gnicl2·
6h2o溶于15ml的去离子水中，得到rucl
3-nicl2的前驱体溶液，然后浸渍10.0g椰壳炭。90℃蒸发溶剂，120℃烘箱烘干8h，300℃氮气保护焙烧4h，h
2 300℃还原2h，得到活性炭负载的负载量各为1％的ru-ni纳米催化剂，记为样品ru-ni/ac；然后用一氧化碳和溴丙烷的混合气氛(压力为：0.1mpa；摩尔比co:ch3ch2ch2br＝2)于240℃处理2h，得到的活性炭负载的双金属单原子催化剂，记为样品ru
1-ni1/ac。采用x射线衍射xrd、x射线吸收精细结构谱xafs、球差电镜haadf-stem等即可知道制得的催化剂为碳载双金属单原子rh-ni催化剂。
54.催化剂样品的表征
55.采用高分辨电镜对所得样品进行表征，结果显示，本技术所制备得到的炭载双金属单原子催化剂，贵金属在催化剂上均为单原子分散状态。
56.如图1所示，(a)为实施例1中样品rh-ru/ac的hr-tem图；(b)为实施例1中样品rh
1-ru1/ac的haadf-stm图；由图可以看出本发明申请中制备的rh-ru均为单原子分散状态。
57.如图2所示，(a)为实施例5中样品cr-pt/ac的hr-tem图；(b)为实施例5中样品cr
1-pt1/ac的haadf-stm图；由图可以看出本发明申请中制备的cr-pt均为单原子分散状态。
58.如图3所示，(a)为实施例7中样品rh-au的hr-tem图；(b)为实施例7中样品rh
1-au1/ac的haadf-stm图；由图可以看出本发明申请中制备的rh-au均为单原子分散状态。
59.如图4所示，(a)为实施例8中样品ir-au的hr-tem图；(b)为实施例8中样品ir
1-au1/ac的haadf-stm图；由图可以看出本发明申请中制备的ir-au均为单原子分散状态。
60.其余实施例中所制备得到的样品的测试结果与实施例1所得样品类似。
61.应用案例为制备的催化剂在以甲醇、co为原料制备乙酸甲酯反应中的应用
62.催化剂的活化：在催化剂使用前，在反应器中co/h2＝4，ghsv＝7500h-1
中进行原位还原活化，条件为：常压，5℃/min从室温升温至230℃，保持1小时，得到活化后的炭载双原子催化剂。
63.羰基化反应条件为：235℃，2.5mpa，ch3oh/co/h2＝4/4/1(摩尔比)，甲醇lhsv＝
10h-1
。反应尾气经冷阱冷却后，气相产物进行在线分析，色谱仪器为安捷伦7890b gc，pq填充柱，tcd检测器。液相产物离线分析，ffap毛细管色谱柱，fid检测器。内标法分析，异丁醇为内标物。
64.使用实施例1-14制备得到的炭载双原子催化剂，按照上述操作制备乙酸甲酯，甲醇的转化率以及乙酸甲酯的选择性如表1。
65.表1甲醇的转化率以及乙酸甲酯的选择性
[0066][0066][0067]
*以转化的甲醇计，其它产物主要为乙酸。
[0068]
以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

技术特征：
1.一种炭载双金属单原子催化剂，该催化剂包括炭载体和活性金属n和m，n和m分别为铱、铑、铂、钌、金、银、铼、钴、镍、铬、锡中的两种金属，且n和m不相同，金属n和m分别以含羰基和卤素配体的单核络合物形式原子级单分散在炭载体的表面。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，金属n和m在催化剂中的质量含量百分占比为0.05～5％，优选占比为0.1～3％，进一步优选占比为0.1～1％。3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述的炭载体为椰壳炭、介孔炭、石墨烯、或者碳纳米管中的一种。4.一种权利要求1～2所述的催化剂的制备方法，其特征在于：1)首先制备炭载体负载的双金属n和m纳米颗粒，具体过程为：将含有双金属n和m的前驱液等体积浸渍炭载体、惰性气体焙烧(300℃-500℃)、氢气还原(300℃-500℃)，将含有金属n和m的纳米合金颗粒负载于炭载体上；2)再利用一氧化碳和卤素、氢卤酸或卤代烃中的一种或二种以上同时与金属n和m的合金纳米颗粒进行反应，对其进行原位原子级单分散处理，从而制得炭载体负载的双金属单原子催化剂。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所用到的卤素、氢卤酸或卤代烷烃中的一种或二种以上，包括氯气、溴气、碘单质，氯化氢、溴化氢、碘化氢，氯甲烷、溴甲烷、溴乙烷、溴丙烷、碘甲烷、碘乙烷、碘丙烷、碘苯中的一种或二种以上；优选溴、碘、溴化物或者碘化物中的一种或二种以上，进一步优选碘或碘化物中的一种或二种；卤素或卤代烷烃或氢卤酸中的一种或二种以上的引入方式既可以通过co鼓泡形式引入反应体系中，也可以通过泵引入反应体系中。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：金属n和m选取的金属包括较难分散的金属铱或金时，可以在负载后采用氧气和混合气交替处理的方式，依次通过引入氧气进行处理反应，再用一氧化碳与含卤混合气(卤素、氢卤酸或卤代烃中的一种或二种以上)进行单分散处理。7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：反应条件为，温度100～350℃，压力0.1～3.0mpa；co和含卤物质(卤素、氢卤酸或卤代烃中的一种或二种以上)的摩尔比例在0.1～10，处理时间为10min～10h。

技术总结
一种炭载双金属单原子催化剂及其制备方法。一种炭载双金属单原子催化剂，其特征在于，该催化剂含有铱、铑、铂、钌、金、银、铼、钴、镍、铬、锡中的两种金属，且该催化剂中两种金属分别以含羰基和卤素配体的单核络合物形式原子级单分散在炭载体表面。其制备方法为先制备炭载双金属纳米颗粒，再利用一氧化碳和含卤物质(卤素、氢卤酸或卤代烃)的一种或二种以上同时与两种金属纳米颗粒进行反应，对其进行原位原子级单分散热处理，从而制得炭载双金属单原子催化剂。本申请公开了一种炭载双金属单原子催化剂的制备方法，其工艺新颖、操作简单，普适性强，可批量制备高载量，高分散，稳定性强的炭载双金属单原子催化剂。双金属单原子催化剂。双金属单原子催化剂。


技术研发人员：丁云杰 李星局 宋宪根 冯四全 袁乔 宁丽丽
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：2020.11.23
技术公布日：2022/5/25