CN111905793B - 一种氮掺杂碳载非贵金属单原子催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于单原子催化剂技术领域，提供了一种氮掺杂碳载非贵金属单原子催化剂的制备方法。制备过程是：将含羧基碳源、含氨基氮源与模板剂一起分散于溶剂中，在一定温度下，一定pH值下，通过羧基、氨基与模板剂官能团的相互作用包裹或插到模板剂上，得到均匀分散液；再加入活性金属源络合氨基，最后干燥，得到固体再以一定温度在一定气氛下焙烧。最后刻蚀掉模板。此方法制备高分散，高载量以及高稳定性的单原子催化剂上的潜力巨大。同时，该制备方法成本低廉、步骤简单、条件温和，重复性较好且易于大批量生产，而且此方法制备的M‑N‑C单原子催化剂在精细化学品加氢制备，电催化反应等方面均具有一定的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于单原子催化剂技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳载非贵金属单原子催化剂制备方法。
背景技术
单原子催化剂结合了高催化活性，选择性、稳定性以及非均相催化剂易于回收的优势，有望成为连接均相催化与非均相催化的桥梁，由于将金属活性组分降低到了原子尺度，在反应中能够实现最高的原子利用率。因此，单原子催化剂有着广阔的研究空间和重要的研究价值。其中氮掺杂碳载非贵金属M-N-C单原子催化剂由于其独特的电子结构，在热化学和电化学中均有望成为贵金属铂基催化剂的最佳替代，有着广泛的应用前景。然而，较高负载量和高热稳定性的普适性低成本的制备方法仍然是较大的挑战。
目前报道的M-N-C单原子催化剂一般是用一种或几种有机前驱物和金属源混合或络合之后焙烧得到。常用的有机前驱物有1，10-菲罗啉、双腈胺、三聚腈胺、联吡啶、酞菁[中国专利CN105749948B]，然而这些有机前驱物均具有潜在毒性，制备过程对环境及生物不友好。有文献报道通过有机金属框架材料来制备M-N-C单原子催化剂，且这些单原子催化剂在电化学催化反应中有较好的应用。如李亚栋团队报道了一种通过制备双金属ZIF，在800℃以上高温热解得到Co-N-C,Fe-N-C单原子催化剂。然而，在热解过程中，大量的金属锌和有机物前驱物会蒸发，残碳率较低[Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,10800-10805]。他们还用泡沫铜和ZIF-8，在氩气流(10ml min-1)中，5℃ min-1升温到900℃热处理1h，得到了Cu-N-C单原子催化剂[Angew.Chem.2017,129,1-6]。Cu-N-C的产量约为26mg，铜负载量为0.54wt％。此外，锌的沸点为907℃，锌原子与2-甲基咪唑的相互作用很强，高温条件下不可能完全去除锌。单原子催化剂的优点之一是为研究催化过程的机理提供了一个单一的场所或纯净的环境。因此锌的残留可能对催化活性中心的理解有影响。对于贵金属，文献报道了一种通过热解从纳米颗粒制备单原子催化剂的方法。研究揭示了钯纳米粒子在900℃下热解时，纳米颗粒释放出钯原子，随后迁移的钯原子被氮碳上的N缺陷所捕获制备得到从而得到Pd-N-C单原子催化剂。这项工作并没有证明非贵金属也可以利用这种方法制备，有待进一步研究[Nat.Nanotechnol.2018,13,856–861]。
段镶峰团队将NiCl2·6H2O和30％H2O2添加到10ml 2mg ml–1氧化石墨烯GO悬浮液中，并超声处理1h。将混合悬浮液在180℃的水热处理6h，形成多孔水凝胶。冻干后，将凝胶在900℃，Ar和NH3混合气中退火1小时，得到Ni-N-C催化剂。然而此方法过程繁琐，且氧化石墨烯原料成本高昂[Nat.Cat.2018,1,63-72]。
虽然M-N-C制备方法多种多样，但仍需寻找一些廉价易得，绿色环保的有机前驱物才能有真正的工业、生物及医药应用前景。如目前M-N-C单原子催化剂的热点应用之一：纳米酶。由于涉及到体内实验，原料的安全性及产品杂质残留要求较高，如果用传统的有机前驱物，难免给后处理带来很多困难，成本上升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备氮掺杂碳载非贵金属单原子催化剂的方法。
本发明的技术方案：
一种氮掺杂碳载非贵金属单原子催化剂的制备方法，步骤如下：
1)将含羧基碳源、含氨基氮源与模板剂一起分散于溶剂中，在一定温度下，一定pH值下，通过羧基、氨基与模板剂官能团的相互作用，碳源和氮源均匀包裹或插到模板剂上，得到均匀分散液；
所述的含羧基碳源为丁烯二酸、苯甲酸、对硝基苯甲酸、戊二酸或柠檬酸；
所述的含氨基氮源为苯胺、间溴苯胺、对氨基苯磺酸、氨基甲酸酯、或同时含有羧基和氨基的氨基酸类化合物；
所述的含羧基碳源和含氨基氮源的物质的量比为：0.01：1～100：1；
所述的模板剂与含羧基碳源的质量比为：0.1:1～3:1；
所述的pH范围为0～7；
温度为25～200℃，时间为1-24h；
2)加入一定量的金属源，继续在25～200℃下搅拌，络合金属离子与氨基；
所述的金属源和氮源化合物的物质的量比为：1：1～1：200；
所述的金属源为硝酸盐、氯盐、硫酸盐、醋酸盐、乙酰丙酮盐，金属活性组分为Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、V、La、Bi中的任意一种或两种以上，金属活性组分占非贵金属单原子氮碳催化剂中的质量百分比为0.1～10wt％；
3)将步骤2)得到的混合物干燥去除溶剂；
4)将步骤3)得到的固体研磨，在一定气体氛围中，经高温热处理得到含有模板的催化剂；
所述的热处理温度为400～1000℃，时间为1-8h，气氛为氮气、氦气或氨气，流量为20-150mL/min；
4)将步骤4)得到的催化剂刻蚀，洗掉或烧掉模板，最终得到非贵金属单原子氮碳催化剂。
所述的模板剂为氢氧化铝、氢氧化镁、二氧化硅、K10、MCM-41、氯化钠、聚苯乙烯小球、C3N4中的任意一种。
所述的溶剂为水、乙醇或稀酸。
所述的金属和含氨基氮源络合时间为1-24h。
本发明具有以下优点和效果：
(1)本发明以金属源和羧基碳源、氨基氮源为前驱体制备氮掺杂非贵金属单原子催化剂，所得的材料为多孔无定型碳材料，形貌较好，比表面积较大，且具有丰富的介孔及微孔。产率及负载量较高，热稳定性好。
(2)本发明操作工艺简单，成本低廉，重复性较好，且可调变配位环境，从而使活性组分的不饱和M-N配位拥有较高的本征催化活性，在热催化及光电催化等领域具有很好的应用前景。
(3)本发明所制备的非贵金属催化剂在使用前无需还原处理，且耐酸碱及氧化，在空气中保存较长时间不失活。
综上所述，本专利提供的氮掺杂碳载非贵金属单原子催化剂的制备方法是一类非常实用且具有创造性的制备单原子催化剂的方法。
附图说明
图1是不同热处理温度所得到的Ni-N-C-1，Ni-N-C-7，Ni-N-C-8单原子催化剂的X射线衍射图。
图2是CoNi-N-C-23双金属单原子催化剂的STEM图，(a)标尺50nm，(b)标尺20nm，(c)标尺20nm。
图3是Fe-N-C-39单原子催化剂的SEM(a),TEM(b),AC-HADDF-STEM(c)图；标尺分别是：200nm、50nm、5nm。
具体实施方式
下面将以具体的实施例来对本发明进行详细的描述，显然，所描述的实例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中所用的化学试剂均为化学纯，可由市场自由购得。
实施例1-12以硝酸镍为金属盐的Ni-N-C单原子催化剂的制备方法
1)将3.5g戊二酸、1g对氨基苯磺酸，3.215g氢氧化镁分散于50mL水中；
2)在120℃下搅拌2h；
3)将一定量硝酸镍加入，自然降温到80℃下继续搅拌分散；
4)将3)所得的溶液蒸干，并在60℃烘箱中干燥。
5)将4)所得到的固体在管式炉中进行热处理，以2℃ min-1的升温速率升至热解温度、氮气氛围下煅烧一定时间，自然降温后可得Ni-N-C-MgOH单原子催化剂。
6)以稀盐酸刻蚀掉模板，洗涤至中性干燥可得Ni-N-C单原子催化剂。
采用X射线衍射分析仪器对上述所得的Ni-N-C-2，Ni-N-C-4，Ni-N-C-5催化剂进行表征，所得的XRD图如图1所示，其中横坐标为衍射角(2θ)，纵坐标为衍射峰强度，26°和43°为碳的衍射峰，无其他金属特征衍射峰出现。对Ni-N-C-1进行球差电镜表征，如图2所示，结果显示Ni是以单原子的形式分散在载体上。
表1.Ni-N-C单原子催化剂的制备方法
实施例13-21以醋酸钴为金属盐的Co-N-C单原子催化剂的制备方法
1)将一定量谷氨酸和0.215g二氧化硅加入15mL水中，用稀盐酸调pH至0，加热至60℃溶解；
2)将一定量醋酸钴溶于20mL水中；
3)所得的溶液倒入1)中，混合均匀，继续在60℃条件下搅拌4h；
4)将3)所得的溶液蒸干，并在80℃烘箱中干燥。
5)将4)所得到的固体在管式炉中进行热处理，以2℃ min-1的升温速率升至热解温度、氨气氛围下煅烧一定时间，自然降温。
7)以15％HF刻蚀掉模板，洗涤至中性干燥可得Co-N-C单原子催化剂。
表2.Co-N-C单原子催化剂的制备方法
实施例22-33以氯化钴和氯化镍为金属盐的CoNi-N-C单原子催化剂的制备方法
1)将3.12g赖氨酸,0.6g柠檬酸和1.245g二氧化硅加入30mL水中，用稀盐酸调pH至1，加热至60℃溶解；
2)将一定量氯化钴和氯化镍溶于25mL水中；
3)所得的溶液倒入1)中，混合均匀，继续在60℃条件下搅拌4h；
4)将3)所得的溶液蒸干，并在80℃烘箱中干燥。
5)将4)所得到的固体在管式炉中进行热处理，以2℃ min-1的升温速率升至热解温度、氮气气氛下煅烧一定时间，自然降温。
7)以15％HF刻蚀掉模板，洗涤至中性干燥可得CoNi-N-C双金属单原子催化剂。
表3.CoNi-N-C双金属单原子催化剂的制备方法
实施例34-48以乙酰丙酮亚铁为金属盐的Fe-N-C单原子催化剂的制备方法
1)将一定量氨基酸和0.528g二氧化硅溶于45mL水中，用稀盐酸调节pH到2,升温到80℃搅拌2h；
2)将0.065g的乙酰丙酮亚铁溶于5mL甲醇中；
3)将2)所得的溶液倒入1)中，混合均匀，在80℃下搅拌分散6h；
4)将3)所得的分散液蒸干，并在80℃烘箱中干燥。
6)将4)所得到的固体在管式炉中进行热处理，以4℃ min-1的升温速率升至热解温度、氨气氛围下煅烧2h，自然降温。
7)以10％HF刻蚀掉模板，洗涤至中性干燥可得Fe-N-C单原子催化剂。
表4.以各种氨基酸制备的Fe-N-C单原子催化剂的制备方法
Claims (3)
1.一种氮掺杂碳载非贵金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1)将含羧基碳源、含氨基氮源与模板剂一起分散于溶剂中，在一定温度下，一定pH值下，通过羧基、氨基与模板剂官能团的相互作用，碳源和氮源均匀包裹或插到模板剂上，得到均匀分散液；
所述的含羧基碳源为丁烯二酸、苯甲酸、对硝基苯甲酸、戊二酸或柠檬酸；
所述的含氨基氮源为苯胺、间溴苯胺、对氨基苯磺酸、氨基甲酸酯、或同时含有羧基和氨基的氨基酸类化合物；
所述的含羧基碳源和含氨基氮源的物质的量比为：0.01：1～100：1；
所述的模板剂与含羧基碳源的质量比为：0.1:1～3:1；
所述的pH范围为0～7；
温度为25～200℃，时间为1-24h；
2)加入一定量的金属源，继续在25～200℃下搅拌，络合金属离子与氨基；
所述的金属源和氮源化合物的物质的量比为：1：1～1：200；
所述的金属源为硝酸盐、氯盐、硫酸盐、醋酸盐、乙酰丙酮盐，金属活性组分为Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、V、La、Bi中的任意一种或两种以上，金属活性组分占非贵金属单原子氮碳催化剂中的质量百分比为0.1～10wt％；
3)将步骤2)得到的混合物干燥去除溶剂；
4)将步骤3)得到的固体研磨，在一定气体氛围中，经高温热处理得到含有模板的催化剂；
所述的热处理温度为400～1000℃，时间为1-8h，气氛为氮气、氦气或氨气，流量为20-150mL/min；
4)将步骤4)得到的催化剂刻蚀，洗掉或烧掉模板，最终得到非贵金属单原子氮碳催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述的模板剂为氢氧化铝、氢氧化镁、二氧化硅、K10、MCM-41、氯化钠、聚苯乙烯小球、氮化碳中的任意一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的溶剂为水、乙醇或稀酸。
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