CN109999883A - 一种氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法,将过渡金属醋酸盐溶解于去离子水中,再向其中逐滴加入吡咯单体得反应前驱体;将反应前驱体转移到反应釜中进行水热反应,反应结束后,将产物离心分离,冷冻干燥;将干燥后的样品加入盐酸溶液中除去氧化物后,通过抽滤分离并洗涤冷冻干燥;将干燥后的样品置于瓷舟中,在保护气氛下于管式炉中进行热处理,待自然冷却后即可得氮掺杂碳负载单原子催化剂。由于前驱体络合物中配体的存在,在制备过程中可以有效避免金属离子团聚生成原子团簇。除此之外可以通过调节吡咯以及酸处理时间等参数,调控单原子的负载量。此方法绿色、高效、操作简单。无需精密复杂的设备,适于大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种单原子催化剂的制备方法,具体涉及一种氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法。
背景技术
相比于传统的宏观类催化剂材料,单原子催化剂具有更高的原子利用效率以及更好的催化效果,受到了人们的广泛关注。单原子本身作为活性位点且具有本征活性,将其负载于载体之后,其可以与载体产生较强的相互作用,这种作用不仅可以稳定单原子,同时可以调控电子结构,提升催化剂的性能。作为一个新提出的催化剂种类,单原子催化剂的制备仍是一个极具挑战性的问题。目前已经报道的方法主要包括原子层沉积[Sun S,Zhang G,Gauquelin N,et al.Single-atom Catalysis Using Pt/Graphene Achieved throughAtomic Layer Deposition[J].Scientific Reports,2013,3(5):1775.],热发射方法[QuY,et al.Thermal Emitting Strategy to Synthesize Atomically Dispersed Pt MetalSites from Bulk Pt Metal[J].J.Am.Chem.Soc.2019,141,11,4505-4509].共沉淀法[Qiao B,Wang A,Yang X,et al.Single-atom catalysis of CO oxidation using Pt1/FeOx[J].Nature Chemistry,2011,3(8):634-41.]。水热合成气凝胶[Zhu C,Fu S,Song J,et al.Self-Assembled Fe-N-Doped Carbon Nanotube Aerogels with Single-AtomCatalyst Feature as High-Efficiency Oxygen Reduction Electrocatalysts[J].Small,2017,13(15):1603407.],热解MOF前驱体[Wenxing C,Jiajing P,Chun-Ting H,etal.Single Tungsten Atoms Supported on MOF-Derived N-Doped Carbon for RobustElectrochemical Hydrogen Evolution[J].Advanced Materials,2018:1800396.]。但原子层沉积及热发射技术需要复杂的设备,且制备工艺繁琐。共沉淀法,热解MOF等则无法调控单原子载量,开发一种绿色高效的制备单原子催化剂的方法对于促进其工业化应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种绿色、高效、操作简单,无需精密复杂的设备,适于大规模生产的氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
步骤一:搅拌下,将过渡金属醋酸盐溶解于去离子水中,得到浓度为0.01mol/L~0.1mol/L的有色透明溶液A,然后采用微量进样器向有色透明溶液A中逐滴加入有色透明溶液A体积5‰~10‰的吡咯单体,持续搅拌得到反应前驱体;
步骤二:将反应前驱体转移到反应釜中在80~120℃进行水热反应,反应结束后,将产物离心分离后,冷冻干燥;
步骤三:将干燥后的样品加入盐酸水溶液中除去氧化物后,通过抽滤分离并洗涤冷冻干燥;
步骤四:将步骤三干燥后的样品置于瓷舟中,在保护气氛下于管式炉中以1~10℃/min的升温速度自室温升温至500~1000℃进行热处理,待自然冷却后得氮掺杂碳负载单原子催化剂。
所述步骤一中过渡金属醋酸盐为醋酸铜、醋酸镍、醋酸钴、醋酸铁、醋酸锌、醋酸钯、醋酸钌、醋酸铂及其水合物中的一种或几种任意比例的混合物。
所述步骤一的持续搅拌采用磁力搅拌或机械搅拌1~10h。
所述步骤二按30%~50%的填充比将反应前驱体转移到反应釜中
所述步骤二的反应釜采用聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜。
所述步骤二水热反应时间为5~24h。
所述步骤二和步骤三的冷冻干燥温度为-10℃~-80℃。
所述步骤三是将干燥后的样品加入到浓度为1~5mol/L的盐酸溶液中,室温搅拌1~10h除去氧化物。
所述步骤四保护气氛为氩气、氮气、氩气与氮气的混合气或氩气与氢气的混合气。
所述步骤四热处理时间为1~5h。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明采用络合物俘获吸附的思路,通过简单的水热酸刻蚀及后续的热处理技术,制备出氮掺杂碳负载单原子催化剂。首先过渡金属醋酸盐溶液中的金属离子在加入吡咯后,会与之形成络合物,经过一段时间的搅拌之后,溶液会变成溶胶并产生明显的丁达尔效应。再将其进行水热反应之后,反应釜的下层是大量的吡咯包覆氧化物以及聚吡咯,而上层则是金属离子与吡咯单体进一步反应后形成的胶体。这些俘获了金属离子的胶体会大量吸附在聚吡咯以及吡咯包覆氧化物表面。之后通过酸刻蚀除去氧化物及热处理,这些位于聚吡咯表面的胶体离子会转换成单个原子,而聚吡咯本身热解生成N掺杂碳材料。由此便可获得氮掺杂碳负载的单原子催化剂材料。更重要的是,由于络合物中配体的存在,在制备过程中可以有效避免金属离子团聚生成原子团簇。此方法绿色、高效、操作简单。无需精密复杂的设备,适于大规模生产。除此之外可以通过调节吡咯以及酸处理时间等参数,调控单原子的负载量。
附图说明
图1是本发明实施例7中制备的氮掺杂碳负载单原子催化剂的XRD图;
图2是本发明实施例7中制备的氮掺杂碳负载单原子催化剂的SEM图;
图3是本发明实施例7中制备的氮掺杂碳负载单原子催化剂的TEM图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述。
实施例1:
步骤一:搅拌下,将醋酸铜溶解于去离子水中,得到浓度为0.01mol/L的有色透明溶液A,然后采用微量进样器向有色透明溶液A中逐滴加入有色透明溶液A体积5‰的吡咯单体,持续磁力搅拌1h得到反应前驱体;
步骤二:按30%的填充比将反应前驱体转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中在80℃水热反应5h,反应结束后,将产物离心分离后,于-10℃冷冻干燥;
步骤三:将干燥后的样品加入浓度为1mol/L的盐酸水溶液中,室温搅拌1h除去氧化物后,通过抽滤分离并洗涤后于-10℃冷冻干燥;
步骤四:将步骤三干燥后的样品置于瓷舟中,在氩气保护气氛下于管式炉中以1℃/min的升温速度自室温升温至500℃热处理5h,待自然冷却后得氮掺杂碳负载单原子催化剂。
实施例2:
步骤一:搅拌下,将醋酸镍溶解于去离子水中,得到浓度为0.03mol/L的有色透明溶液A,然后采用微量进样器向有色透明溶液A中逐滴加入有色透明溶液A体积10‰的吡咯单体,持续机械搅拌8h得到反应前驱体;
步骤二:按40%的填充比将反应前驱体转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中在100℃水热反应10h,反应结束后,将产物离心分离后,于-80℃冷冻干燥;
步骤三:将干燥后的样品加入浓度为3mol/L的盐酸水溶液中,室温搅拌5h除去氧化物后,通过抽滤分离并洗涤后于-80℃冷冻干燥;
步骤四:将步骤三干燥后的样品置于瓷舟中,在氮气保护气氛下于管式炉中以5℃/min的升温速度自室温升温至800℃热处理3h,待自然冷却后得氮掺杂碳负载单原子催化剂。
实施例3:
步骤一:搅拌下,将醋酸钴溶解于去离子水中,得到浓度为0.05mol/L的有色透明溶液A,然后采用微量进样器向有色透明溶液A中逐滴加入有色透明溶液A体积8‰的吡咯单体,持续磁力搅拌10h得到反应前驱体;
步骤二:按50%的填充比将反应前驱体转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中在120℃水热反应12h,反应结束后,将产物离心分离后,于-50℃冷冻干燥;
步骤三:将干燥后的样品加入浓度为5mol/L的盐酸水溶液中,室温搅拌10h除去氧化物后,通过抽滤分离并洗涤后于-50℃冷冻干燥;
步骤四:将步骤三干燥后的样品置于瓷舟中,在氩气与氮气的混合气体保护气氛下于管式炉中以10℃/min的升温速度自室温升温至900℃热处理3h,待自然冷却后得氮掺杂碳负载单原子催化剂。
实施例4:
步骤一:搅拌下,将醋酸铁和醋酸钌溶解于去离子水中,得到浓度为0.08mol/L的有色透明溶液A,然后采用微量进样器向有色透明溶液A中逐滴加入有色透明溶液A体积10‰的吡咯单体,持续机械搅拌3h得到反应前驱体;
步骤二:按50%的填充比将反应前驱体转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中在120℃水热反应24h,反应结束后,将产物离心分离后,于-30℃冷冻干燥;
步骤三:将干燥后的样品加入浓度为4mol/L的盐酸水溶液中,室温搅拌10h除去氧化物后,通过抽滤分离并洗涤后于-30℃冷冻干燥;
步骤四:将步骤三干燥后的样品置于瓷舟中,在氩气与氢气的混合气体保护气氛下于管式炉中以8℃/min的升温速度自室温升温至1000℃热处理1h,待自然冷却后得氮掺杂碳负载单原子催化剂。
实施例5:
步骤一:搅拌下,将醋酸铜、醋酸锌和醋酸铂溶解于去离子水中,得到浓度为0.1mol/L的有色透明溶液A,然后采用微量进样器向有色透明溶液A中逐滴加入有色透明溶液A体积6‰的吡咯单体,持续磁力搅拌5h得到反应前驱体;
步骤二:按50%的填充比将反应前驱体转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中在120℃水热反应12h,反应结束后,将产物离心分离后,于-60℃冷冻干燥;
步骤三:将干燥后的样品加入浓度为2.5mol/L的盐酸水溶液中,室温搅拌5h除去氧化物后,通过抽滤分离并洗涤后于-60℃冷冻干燥;
步骤四:将步骤三干燥后的样品置于瓷舟中,在氮气保护气氛下于管式炉中以3℃/min的升温速度自室温升温至900℃热处理4h,待自然冷却后得氮掺杂碳负载单原子催化剂。
实施例6:
步骤一:搅拌下,将醋酸钯溶解于去离子水中,得到浓度为0.05mol/L的有色透明溶液A,然后采用微量进样器向有色透明溶液A中逐滴加入有色透明溶液A体积7‰的吡咯单体,持续机械搅拌5h得到反应前驱体;
步骤二:按50%的填充比将反应前驱体转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中在120℃水热反应24h,反应结束后,将产物离心分离后,于-50℃冷冻干燥;
步骤三:将干燥后的样品加入浓度为1mol/L的盐酸水溶液中,室温搅拌2.5h除去氧化物后,通过抽滤分离并洗涤后于-50℃冷冻干燥;
步骤四:将步骤三干燥后的样品置于瓷舟中,在氮气保护气氛下于管式炉中以5℃/min的升温速度自室温升温至800℃热处理4h,待自然冷却后得氮掺杂碳负载单原子催化剂。
实施例7:步骤一:搅拌下,将醋酸铜溶解于去离子水中,得到浓度为0.1mol/L的有色透明溶液A,然后采用微量进样器向有色透明溶液A中逐滴加入有色透明溶液A体积7.5‰的吡咯单体,持续磁力搅拌5h得到反应前驱体;
步骤二:按50%的填充比将反应前驱体转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中在120℃水热反应10h,反应结束后,将产物离心分离后,于-50℃冷冻干燥;
步骤三:将干燥后的样品加入浓度为1mol/L的盐酸水溶液中,室温搅拌2.5h除去氧化物后,通过抽滤分离并洗涤后于-50℃冷冻干燥;
步骤四:将步骤三干燥后的样品置于瓷舟中,在氮气保护气氛下于管式炉中以5℃/min的升温速度自室温升温至800℃热处理4h,待自然冷却后得氮掺杂碳负载单原子催化剂。
从图1中可以看出,在所制备的材料XRD中,约24°附近出现一个馒头峰,对应于石墨结构中的(002)面,通过布拉格公式计算,其对应的晶面间距d002约为0.386nm,远大于石墨的0.34nm,表明N原子掺杂扩大了其面间距。除此之外,XRD无其他衍射峰存在,说明经过酸刻蚀处理,铜氧化物被完全清除。
由图2可以看出,在所制备的单原子催化剂呈颗粒状形貌,粒径约为50nm,尺寸分布均匀。
由图3可以看出,在制备的氮掺杂碳表面,存在众多单一分布的原子,无明显的团聚存在。说明所制备的材料为氮掺杂碳负载铜单原子催化剂。
Claims (10)
1.一种氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一:搅拌下,将过渡金属醋酸盐溶解于去离子水中,得到浓度为0.01mol/L~0.1mol/L的有色透明溶液A,然后采用微量进样器向有色透明溶液A中逐滴加入有色透明溶液A体积5‰~10‰的吡咯单体,持续搅拌得到反应前驱体;
步骤二:将反应前驱体转移到反应釜中在80~120℃进行水热反应,反应结束后,将产物离心分离,冷冻干燥;
步骤三:将干燥后的样品加入盐酸水溶液中除去氧化物后,通过抽滤分离并洗涤冷冻干燥;
步骤四:将步骤三干燥后的样品置于瓷舟中,在保护气氛下于管式炉中以1~10℃/min的升温速度自室温升温至500~1000℃进行热处理,待自然冷却后即得到氮掺杂碳负载单原子催化剂。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤一中过渡金属醋酸盐为醋酸铜、醋酸镍、醋酸钴、醋酸铁、醋酸锌、醋酸钯、醋酸钌、醋酸铂及其水合物中的一种或几种任意比例的混合物。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤一的持续搅拌采用磁力搅拌或机械搅拌1~10h。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤二按30%~50%的填充比将反应前驱体转移到反应釜中。
5.根据权利要求1所述的氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤二的反应釜采用聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤二水热反应时间为5~24h。
7.根据权利要求1所述的氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤二和步骤三的冷冻干燥温度为-10℃~-80℃。
8.根据权利要求1所述的氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤三是将干燥后的样品加入到浓度为1~5mol/L的盐酸水溶液中,室温搅拌1~10h除去氧化物。
9.根据权利要求1所述的氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤四保护气氛为氩气、氮气、氩气与氮气的混合气或氩气与氢气的混合气。
10.根据权利要求1所述的氮掺杂碳负载单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤四热处理时间为1~5h。
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