CN112569933B - 一种稳定的金属单原子及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种稳定的金属单原子及其制备方法，所述金属单原子负载于三维多孔石墨烯上，其中，所述三维多孔石墨烯采用纳米多孔金属材料为模板制备而成，并将所述纳米多孔金属材料加热到所述纳米多孔金属材料熔点以上并保温以得到所述金属单原子。本发明提供一种稳定的金属单原子及其制备方法，所述金属单原子在加热到1000℃仍然分散很好，没有团聚成小颗粒。

Description

一种稳定的金属单原子及其制备方法
技术领域
本发明涉及催化剂材料技术领域，具体涉及一种稳定的金属单原子及其制备方法。
背景技术
如何提高多相催化过程中催化剂的利用率是科学与工业界普遍关心的重大问题。目前，单原子催化剂以其最高的利用率，已成为多相催化中最活跃的新领域。通过各种化学或者物理方法，已经制备出了种类丰富的单原子催化剂，并且在多种催化过程中得到很好的应用。
单原子催化剂在很多化学反应中都表现出了优异的性能。然而单原子催化剂的热稳定性较差是其工业应用的致命弱点，尤其对于金单原子催化剂。另外，负载单原子的载体通常比表面积较低也是影响其负载量的重要因素。如果能够找到一种具有高温热稳定性，且具有较大负载量的金属单原子制备方法，那就会大大提高单原子催化剂的科学研究进展与工业应用价值。
发明内容
基于此，本发明提供一种具有高温稳定性的、高负载的金属单原子及其制备方法。
本发明实施例提供了一种稳定的金属单原子，所述金属单原子负载于三维多孔石墨烯上，其中，所述三维多孔石墨烯采用纳米多孔金属材料为模板制备而成，并将所述纳米多孔金属材料加热到所述纳米多孔金属材料熔点以上并保温以得到所述金属单原子。
可选的是，所述三维多孔石墨烯的表面积是所述纳米多孔金属材料表面积的至少2倍以上。
可选的是，所述纳米多孔金属材料包括纳米多孔金(NPG)。
可选的是，所述金属单原子在1000℃以上保温60分钟以上仍保持分散状态，即不发生团聚。
本发明还提供一种金属单原子的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)制备纳米多孔金属材料；
(2)将步骤(1)中得到的所述纳米多孔金属材料催化碳源气体，在所述纳米多孔金属材料表面形成一层非晶碳；
(3)将步骤(2)中得到的表面负载非晶碳的所述纳米多孔金属材料加热到所述纳米多孔金属材料熔点以上并保温，最终留下负载于三维纳米多孔石墨烯的金属单原子。
可选的是，所述三维多孔石墨烯的表面积是所述纳米多孔金属材料表面积的至少2倍以上；
可选的是，所述纳米多孔金属材料包括纳米多孔金(NPG)。
可选的是，采用脱合金、电化学方法或水热法制备所述纳米多孔金属材料。
可选的是，所述金属单原子在1000℃以上以分散状态保温60分钟以上，即不发生团聚。
可选的是，所述碳源气体包括有机碳源气体；
可选的是，所述碳源气体包括甲烷。
可选的是，所述方法包括以下步骤：
(1)取AuAg合金，采用脱合金、电化学方法或水热法制备纳米多孔金(NPG)；
(2)将步骤(1)中得到的所述纳米多孔金催化碳源气体，在所述纳米多孔金表面形成一层非晶碳；
(3)将步骤(2)中得到表面负载非晶碳的纳米多孔金加热到所述纳米多孔金熔点以上并保温，最终留下负载有金单原子的三维纳米多孔石墨烯。
本发明还提供一种采用上述金属单原子作为催化剂的用途。
有益效果。
目前科研界制备的单原子很不稳定，尤其是金单原子。单原子在室温下放置就会自发的团聚成小颗粒，在加热条件下会更迅速的团聚。目前，还没有一直加热到1000℃仍保持单原子的制备方法。而本发明提供一种稳定的金属单原子及其制备方法，所述金属单原子在加热到1000℃仍然分散很好，没有团聚成小颗粒。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为本发明制备的纳米多孔金STEM像。
图2显示为本发明纳米多孔金催化有机气体后的TEM像。
图3a是加热后多孔金熔化蒸发后的TEM像，图3b是该三维多孔石墨烯的TEM像。
图4显示为本发明三维纳米多孔石墨烯上负载金单原子的STEM像。
图5a-f显示为本发明制备的金单原子在不同温度下保温后的图像。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动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。
本发明提供一种稳定的金属单原子及其制备方法。纳米多孔金属具有很高的比表面积，纳米多孔金是最经典的纳米多孔金属。通过催化有机气体(比如甲烷)，本发明在纳米多孔金表面形成一层非晶碳。对这种负载非晶碳的纳米多孔金进行高温加热，使得纳米多孔金熔化并蒸发，同时非晶碳被催化形成石墨烯。至此，以高比表面积的纳米多孔金为模板，制备了表面积是纳米多孔金表面积至少2倍以上的三维多孔石墨烯。这种石墨烯负载有高密度的金单原子，且其具有当前其他方法不具备的高温稳定性。当温度高达1000℃并保温60分钟，金单原子仍然保持分散状态，即不发生团聚。本发明成功制备了超高比表面积、高热稳定性和高负载量的三维多孔石墨烯负载的金单原子。
需要注意的是，在本发明提供的方法中，所述高温加热需要将纳米多孔金加热到其熔点以上，即需要较高的加热温度。在一个具体的实施例中，所述高温加热温度为1070℃以上。考虑到实际加热环境及制备成本，可将高温加热温度限定为1070℃以上1200℃以下。而如果加热的温度较低，比如500℃或以上，则仅能形成石墨烯负载的纳米多孔金，而不能形成石墨烯负载的金单原子。
制备方法：
本发明的制备金单原子的方法包括如下步骤：
(1)取一块AuAg合金，采用脱合金、电化学方法或水热法等制备纳米多孔金NPG。
(2)将步骤(1)中得到的纳米多孔金催化碳源气体，在其表面形成一层非晶碳。
(3)将步骤(2)中得到表面负载非晶碳的纳米多孔金加热到其熔点以上并保温。多孔金熔化蒸发后，最终留下负载有金单原子的三维纳米多孔石墨烯。这种三维多孔金石墨烯上负载的金单原子具有超常的高温稳定性。
其中，在步骤(2)中，所述碳源气体包括有机碳源气体。在一个具体的实施例中，所述有机碳源气体包括甲烷等。
实施例1
以脱合金法制备金单原子为例，所述方法具体包括如下步骤：
(1)利用脱合金方法制备纳米多孔金即NPG：
将Au-Ag合金薄膜在恒温水浴25-30℃下的浓HNO3中进行去合金化35-60分钟，取出脱合金薄膜，然后将脱合金薄膜浸入超纯水中20-60分钟，制备出NPG薄片；
(2)将步骤(1)制备的NPG薄片进行催化CH4热解反应：
使用加热芯片收集超纯水中的NPG薄片，将该加热芯片组装到原位TEM气相系统中，整个气体系统先在常压下用惰性气体冲洗40-100分钟，然后引入CH4气体，随后以10-50℃/min的加热速率加热升高至300-500℃，发生明显的催化现象。
(3)将步骤(2)中得到表面负载非晶碳的纳米多孔金加热到其熔点以上并保温。多孔金熔化蒸发后，最终留下负载有金单原子的三维纳米多孔石墨烯。这种三维多孔金石墨烯上负载的金单原子具有超常的高温稳定性。
在所述步骤(3)中，所述加热温度为1070℃以上。考虑到实际加热环境及制备成本，可将高温加热温度限定为1070℃以上1200℃以下。
分析表征：
图1是采用脱合金法制备的纳米多孔金STEM像，这种成像模式拍到的图片展现纳米多孔金的立体结构。
图2是纳米多孔金催化有机气体后的TEM像。图中黑色的是多孔金，白色的是真空。图像清晰的表明了多孔金表面附着一层非晶碳。
在图3中，图3a是加热后多孔金熔化蒸发，同时原先多孔金表面的那层非晶碳被催化形成三维多孔的石墨烯(即图3a中白色多孔状物体)。图3b是该三维多孔石墨烯的TEM像，图中的条纹表明原先的非晶碳被催化形成了石墨烯。
图4是三维纳米多孔石墨烯上负载金单原子的STEM像。图中白色絮状物是三维多孔的石墨烯。絮状物上的白色亮点是金单原子。多孔金在高温下熔化蒸发，有些金原子迁移到石墨烯中，从而保留在石墨烯中。
图5a-f中的白色亮点是金单原子。图5a表明石墨烯中存在大量的金单原子。图5b图是同一样品位置，在加热到200℃后保温60分钟，单原子仍然分散很好，没有团聚成小颗粒。图5c-f是将制备好的金单原子分别加热到400、600、800和1000℃后保温60分钟后的图像，由此可见，即使加热到1000℃后保温60分钟单原子仍然分散很好，没有团聚成小颗粒。
目前科研界制备的单原子很不稳定，尤其是金单原子，单原子在室温下放置就会自发的团聚成小颗粒，在加热条件下会更迅速的团聚。目前，还没有一直加热到1000℃仍保持单原子的制备方法。而本发明则成功制备了超高比表面积、高热稳定性和高负载量的三维多孔石墨烯负载的金单原子，其可以在1000℃仍保持分散而不发生团聚。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种金属单原子的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）利用脱合金方法制备纳米多孔金：
将Au-Ag合金薄膜在恒温水浴25-30℃下的浓HNO3中进行去合金化35-60分钟，取出脱合金薄膜，然后将脱合金薄膜浸入超纯水中20-60分钟，制备出纳米多孔金薄片；
（2）将步骤（1）制备的纳米多孔金薄片进行催化CH4热解反应：
使用加热芯片收集超纯水中的纳米多孔金薄片，将该加热芯片组装到原位TEM气相系统中，整个气体系统先在常压下用惰性气体冲洗40-100分钟，然后引入CH4气体，随后以10-50℃/min的加热速率加热升高至300-500℃，发生明显的催化现象；
（3）将步骤（2）中得到的表面负载非晶碳的纳米多孔金加热到其熔点以上并保温，保温温度为1070℃以上1200℃以下；多孔金熔化蒸发后，最终留下负载有金单原子的三维纳米多孔石墨烯；
所述三维纳米多孔石墨烯的表面积是所述纳米多孔金表面积的至少2倍以上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属单原子在1000℃以上保温60分钟以上仍保持分散状态，即不发生团聚。
3.一种稳定的金属单原子，其特征在于，所述金属单原子负载于三维多孔石墨烯上，其中，所述三维多孔石墨烯采用纳米多孔金属材料为模板制备而成，并将所述纳米多孔金属材料加热到所述纳米多孔金属材料熔点以上并保温以得到所述金属单原子；
所述金属单原子的制备方法包括以下步骤：
（1）利用脱合金方法制备纳米多孔金：
将Au-Ag合金薄膜在恒温水浴25-30℃下的浓HNO3中进行去合金化35-60分钟，取出脱合金薄膜，然后将脱合金薄膜浸入超纯水中20-60分钟，制备出纳米多孔金薄片；
（2）将步骤（1）制备的纳米多孔金薄片进行催化CH4热解反应：
使用加热芯片收集超纯水中的纳米多孔金薄片，将该加热芯片组装到原位TEM气相系统中，整个气体系统先在常压下用惰性气体冲洗40-100分钟，然后引入CH4气体，随后以10-50℃/min的加热速率加热升高至300-500℃，发生明显的催化现象；
（3）将步骤（2）中得到的表面负载非晶碳的纳米多孔金加热到其熔点以上并保温，保温温度为1070℃以上1200℃以下；多孔金熔化蒸发后，最终留下负载有金单原子的三维纳米多孔石墨烯；
所述三维纳米多孔石墨烯的表面积是所述纳米多孔金属材料表面积的至少2倍以上。
4.根据权利要求3所述的金属单原子，其特征在于，所述金属单原子在1000℃以上以分散状态保温60分钟以上，即不发生团聚。
5.一种采用如权利要求3-4任一项所述的金属单原子作为催化剂的用途。
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