CN112023934A - 一种铜铟双金属单原子催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种合成铜铟双金属单原子的方法,属于催化材料领域。其特征在于利用空间限域效应,将主族金属元素与过渡金属元素相结合并均匀分布在氮碳基底材料上。相对于传统方法,本发明提供的一锅法合成途径省去了繁琐的处理步骤,具有简单易操作的特点。所制备的催化剂可以在水相中实现CO2电催化高效还原为甲醇。
Description
技术领域
本发明属于催化材料领域,涉及一种铜铟双金属单原子催化剂的制备方法。
背景技术
由于人类对化石燃料的过度使用,CO2排放量逐年增加,从而导致温室效应越来越严重,这已然成为世界各国所要共同面对的全球性环境问题。为了减少CO2排放,人们开发出一系列催化剂材料将CO2转化为各种有用资源,如过渡金属、非过渡金属、过渡金属氧化物或硫化物、金属负载的氮碳材料等,但是这些材料的活性位点分布差异比较大,活性位点利用率并不高。研究表明,催化剂的微观结构、量子尺寸效应等因素对催化剂活性及产物选择性影响巨大。当活性位点尺寸缩小到单个原子时,其活性原子利用率可以达到100%;通过调控金属原子的配位结构和电子结构,有望得到特定的目标产物。此外,单原子催化剂的催化位点高度统一,被认为是连接非均相催化剂和均相催化剂之间的桥梁。单原子催化剂不受纳米颗粒中不同晶面、表面缺陷等多种干扰位点的影响,这将有利于在催化反应中获得高的目标产物选择性。
然而,在单原子催化剂的合成过程中,由于单个原子的表面能较大,它们倾向于聚集形成纳米颗粒,这使得单原子催化剂的制备变得十分艰难。尽管人们采用了很多方法以限制单个原子的聚集,但这些制备方法仍存在步骤繁琐、成本较高、负载量较低的缺点。此外,目前用于CO2还原的单原子催化剂的研究大多聚焦于过渡金属元素的单金属或双金属单原子活性位点,所得还原产物多为CO、CH4等气相产物,关于电催化CO2还原生成液相产物的单原子催化剂的研究还很少。
发明内容
本发明提供了一种铜铟双金属单原子催化剂的制备方法。首先采用一锅法合成双金属前驱体粉末Cu/In@ZIF-8,然后高温热解得到铜铟双金属单原子催化剂。本方法中Cu/In@ZIF-8前驱体粉末的合成步骤比较简单,热解得到的铜铟双金属单原子催化剂对CO2电催化还原为甲醇具有较高的活性和选择性。
本方法通过如下技术方案实现:
步骤1:将可溶性锌盐、铜盐和铟盐溶解于无水乙醇和N,N’-二甲基甲酰胺混合溶剂中,得到溶液A;将2-甲基咪唑溶解于无水乙醇中得到溶液B;将溶液A和溶液B在室温混合得到前驱体溶液,陈化结晶、分离后得到前驱体粉末Cu/In@ZIF-8;
步骤2:将前驱体粉末Cu/In@ZIF-8和氮源物质混合均匀,在惰性气体保护下高温热解得到铜铟双金属单原子催化剂;
步骤3:以制备的催化剂为阴极材料,在水相中将CO2电催化高效还原为甲醇。
进一步地,在上述步骤1中,所述可溶性铟盐为乙酰丙酮铟;所述可溶性锌盐为硝酸锌、氯化锌、醋酸锌中的一种或几种;所述可溶性铜盐为氯化铜、醋酸铜、硝酸铜中的一种或几种;
进一步地,在上述步骤1中,所述可溶性锌盐与铟盐的摩尔比为15:1~30:1;
进一步地,在上述步骤1中,所述可溶性铟盐与铜盐的摩尔比为1:1~1.3:1;
进一步地,在上述步骤1中,所述可溶性锌盐与2-甲基咪唑的摩尔比为1:4~1:8;
进一步地,在上述步骤2中,所述氮源物质为双氰胺、三聚氰胺、g-C3N4中的一种,所述前驱体粉末与氮源物质的质量比为1:1.5~1:4;
进一步地,在上述步骤2中,所述煅烧温度为950~1100℃,升温速率为2~5℃/min,煅烧时间为1~2h;
进一步地,在上述步骤2中,所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的一种。
具体实施方案
实施例1:
1.Cu/In@ZIF-8前驱体粉末的制备:
(1)将5.7mM的六水合硝酸锌,0.21mM的三水合硝酸铜,0.24mM的乙酰丙酮铟溶解于50mL无水乙醇和N,N’-二甲基甲酰胺混合溶剂中(乙醇与N,N’-二甲基甲酰胺的体积比为4:1),形成溶液A,将24.1mM的2-甲基咪唑溶解于无水乙醇中,得到溶液B。将A,B混合搅拌均匀2h。
(2)随后停止搅拌,在室温条件下静置、陈化结晶12h。所得产物经离心分离后,用乙醇洗涤至少三次,60℃干燥,得到Cu/In@ZIF-8前驱体粉末。
2.铜铟双金属单原子催化剂的制备:
将Cu/In@ZIF-8和双氰胺(质量比为1:3)混合研磨后,放置在加盖的刚玉瓷舟中,在氩气保护下,控制升温速率为2.5℃/min,升温至950℃,高温热解2h,冷却至室温后得到铜铟双金属单原子催化剂。
3.铜铟双金属单原子催化剂的还原性能测试:
(1)以该催化剂作为阴极材料,以铂片电极为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极,组成三电极体系;
(2)以浓度为0.5M的碳酸氢钾水溶液作为电解液,在电解液中持续通入CO2气体(60mL/min)直至饱和;
(3)保持CO2气体(20mL/min)持续通入,设置电位相对于Ag/AgCl电极-1V~-1.3V电压范围下还原1.5h;
(4)用气相色谱测得反应后溶液中主要产物为甲醇,甲醇的最大产率为8.72μmol·cm-2,对应法拉第效率为53.11%。
Claims (8)
1.一种铜铟双金属单原子催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将可溶性锌盐、铜盐和铟盐溶解于无水乙醇和N,N’-二甲基甲酰胺混合溶剂中,得到溶液A;将2-甲基咪唑溶解于无水乙醇中得到溶液B;将溶液A和溶液B室温下混合得到前驱体溶液,陈化结晶、分离后得到前驱体粉末Cu/In@ZIF-8;
(2)将前驱体粉末Cu/In@ZIF-8和氮源物质混合,研磨均匀,在惰性气体保护下经高温热解得到双金属单原子催化剂;
(3)以制备的催化剂为阴极材料,在水相中将CO2电催化高效还原为甲醇。
2.根据权利要求1所述铜铟双金属单原子催化剂的制备方法,其特征在于,在所述步骤(1)中,所述可溶性铟盐为乙酰丙酮铟;所述可溶性锌盐为硝酸锌、氯化锌、醋酸锌中的一种或几种;所述可溶性铜盐为氯化铜、醋酸铜、硝酸铜中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述铜铟双金属单原子催化剂的制备方法,其特征在于,在所述步骤(1)中,所述可溶性锌盐与铟盐的摩尔比为15:1~30:1。
4.根据权利要求1所述铜铟双金属单原子催化剂的制备方法,其特征在于,在所述步骤(1)中,所述可溶性铟盐与铜盐的摩尔比为1:1~1.3:1。
5.根据权利要求1所述铜铟双金属单原子催化剂的制备方法,其特征在于,在所述步骤(1)中,所述可溶性锌盐与2-甲基咪唑的摩尔比为1:4~1:8。
6.根据权利1要求所述铜铟双金属单原子催化剂的制备方法,其特征在于,在所述步骤(2)中,所述氮源物质为双氰胺、三聚氰胺、g-C3N4中的一种。
7.根据权利1要求所述铜铟双金属单原子催化剂的制备方法,其特征在于,在所述步骤(2)中,所述前驱体粉末与氮源物质的质量比为1:1.5~1:4;所述煅烧温度为950~1100℃,升温速率为2~5℃/min,煅烧时间为1~2h。
8.据权利要求1所述铜铟双金属单原子催化剂的制备方法,其特征在于,在所述步骤(2)中,所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的一种。
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