CN114669292B - 单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法：将无机醇盐、螯合剂、醇溶剂混合搅拌，形成水解液前驱体；将无机金属盐溶液滴加到水解液前驱体中，同时敞口搅拌使其进行充分的水解缩聚，得到具有可纺性的无机溶胶；将可纺性无机溶胶依次进行静电纺丝、梯度煅烧，得到原子簇原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维；对原子簇原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维进行碱溶液喷雾刻蚀处理，最终得到单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维。本发明通过原位负载和喷雾刻蚀得到的单原子原位负载非晶态氧陶瓷纳米纤维具有活性位点多、分散性好、负载量高和比表面积大的优点。

Description

单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及一种单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法，属于工业催化用材料技术领域。

背景技术

随着工业化进程的不断深入，大量有害污染物质被排放，从而严重污染环境。目前，环境污染治理主要选择催化剂材料对污染物质进行降解，从而实现绿色环境的目标。因此，开发一种高催化活性、高稳定性的催化剂至关重要。近年来，单原子负载型催化剂的制备和应用引起了人们的广泛关注，其中载体作为单原子催化反应的场所，为催化剂整体性能的提升起到了至关重要的角色。目前主要以活性炭、石墨烯、分子筛、非晶态氧化物材料等作为载体，其中非晶态氧化物材料因具有稳定性好、制备简单和成本低廉等优势而被广泛使用。目前，制备单原子负载型催化剂的方法主要有共沉淀法、浸渍法、原子层沉积法等，然而上述方法制备的单原子催化剂普遍存在负载量低、稳定性差等问题。因此，如何在保证高负载量的前提下，又满足催化剂稳定性将是该领域亟需解决的问题。

有研究学者通过制备水溶性金属前驱体分子溶液并与表面氧化的碳材料在超纯水中混合，得到碳材料表面负载金属单原子，但该方法中的载体选择碳材料，在强碱、强酸等催化环境下，该碳材料会被腐蚀破坏，因此该催化剂稳定性较差。有研究学者采用光沉积法在二维ZnIn₂S₄表面上负载贵金属单原子，但该发明中催化剂的负载量较低仅有0.1～0.7wt％。因此，亟需开发一种单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法，以获得高负载量、高稳定性的催化剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：单原子无法高度均匀负载在非晶态氧化物陶瓷纳米纤维上的问题，以及单原子无法在非晶态氧化物陶瓷纳米纤维载体上兼具高负载量及高稳定性的问题。

为了解决以上问题，本发明提供了一种单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)：将无机醇盐、螯合剂、醇溶剂混合搅拌，形成水解液前驱体；

步骤2)：将无机金属盐溶液滴加到水解液前驱体中，同时敞口搅拌使其进行充分的水解缩聚，得到具有可纺性的无机溶胶；

步骤3)：将可纺性无机溶胶依次进行静电纺丝、梯度煅烧，得到原子簇原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维；

步骤4)：对原子簇原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维进行碱溶液喷雾刻蚀处理，最终得到单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维。

优选地，步骤1)中所述的无机醇盐为硅源、铝源、钛源或锆源中的一种或几种的组合；硅源选自正硅酸四乙酯、四正丁氧基硅烷、四正丙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷或乙酸三甲基硅酯中的一种或多种组合；铝源选择异丙醇铝、正丁醇铝、三甲氧基铝、三乙醇铝、仲丁醇铝、叔丁醇铝或三正丙氧基铝中的一种或几种的组合；钛源选择正丙醇钛、正丁醇钛、异丙醇钛、异丁醇钛、四戊醇钛、四甲醇钛、四乙醇钛、叔丁醇锆或四戊醇锆中的一种或几种的组合；锆源选择叔丁醇锆、异丁醇锆、四戊醇锆、四甲醇锆、正丙醇锆、四乙醇锆、异丙醇锆或正丁醇锆中的一种或几种的组合。

优选地，步骤1)中所述的螯合剂为磷酸、草酸、乙酸、乙二胺四乙酸、氨基三乙酸、柠檬酸铵、乙酰丙酮、乙二胺或邻二氮菲中的一种或几种的组合。

优选地，步骤1)所述的醇溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇、正戊醇、乙二醇、丁二醇、己二醇或丙三醇中的一种或几种的组合。

优选地，步骤2)中所述的无机金属盐为氯铂酸、氯化铂、四氨合硝酸铂、氯金酸、乙酸金、氯化金、醋酸钌、五水氯钌酸钾、硝酸银、硫酸银、硝酸钯、硝酸镓、氯化锇、碘化银、醋酸银、醋酸依、硝酸铁、硝酸锰、硝酸铜、乙酸镍、氯化锰、硝酸钴、硫酸铜、硝酸镓、硝酸锌、醋酸锶、氯化锶、硝酸钡或氯化钡中的一种或几种的组合。

优选地，步骤2)中所述无机金属盐溶液浓度为1～500mg/L；滴加无机金属盐溶液与醇溶剂的质量比为1:30；所述滴加到工艺参数为：滴加速度0.01～5mg/s，滴加温度为15～35℃，搅拌速度100～1000r/min，搅拌时间1～10h。

优选地，步骤3)中所述静电纺丝的工艺参数为：相对湿度25～45％，温度15～30℃，电压10～100kV，灌注速度0.05～10mL/h，滑台距离10～50cm，纺丝距离5～50cm，滚筒速度10～200r/min，滑台运行速度20～200cm/min。

优选地，步骤3)中到梯度煅烧三个阶段：前期：温度30～100℃，升温速度5℃/min，保温时间0～1h，煅烧气氛选择空气，通入速度A为50～150mL/min；中期：温度100～250℃，升温速度3℃/min，保温时间0～2h，煅烧气氛选择空气，通入速度为0.75AmL/min；后期：温度250～B℃，其中B＝300～500，升温速度1℃/min，保温时间0～3h，煅烧气氛选择空气，通入速度为0.5AmL/min。

优选地，步骤4)中所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡或氢氧化钙中的一种或几种到组合；所述喷雾刻蚀处理具体为：将碱溶液喷洒雾化到原子簇原位负载的非晶态氧化物陶瓷纳米纤维上，碱溶液的浓度为0.1～0.5mol/L，喷洒雾化量为1～5mL/cm²，喷雾速度为1～10mL/min，喷雾距离为5～20cm，喷雾温度为50～100℃，刻蚀处理时间为1～10h。

优选地，所述单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维中非晶态氧化物的负载量不小于10wt％。

本发明采用低温梯度煅烧的方式，通过对煅烧过程参数进行分阶段调控。在前期预热过程中，即30～100℃的温度范围内，采用慢空气流速和快升温速率对样品进行处理，这是因为本发明使用的溶剂沸点多为100℃左右，该操作主要是充分去除样品中残留的溶剂，起到烘干样品作用。在中期预氧化过程中，即100～250℃的温度范围内，采用中空气流速和中升温速率对样品进行处理，这是因为一方面本发明采用的螯合剂的分解温度一般在250℃左右，该操作可以促进螯合剂等有机组分的彻底分解；另一方面，基于Kirkendall效应和菲克扩散定律，通过调节中等升温速率来控制热解平衡，以促使金属离子向材料表面完全迁移，其原因是高升温速率会导致离子在材料内部即发生聚集进而影响迁移效果，而低升温速率会导致离子迁移速率较慢无法充分迁移到材料表面。在后期煅烧过程中，即250～B℃(B＝300～500)的温度范围内，采用快空气流速和慢升温速率对样品进行处理，这是因为一方面表面的迁移离子在该操作下限制了离子间产生团聚现象，只是发生几个原子间的簇集作用；另一方面，在该温度范围内，金属醇盐不足以迅速而彻底地转化成具有一定晶型的氧化物，从而保留了非晶态氧化物的缺陷结构，最终得到原子簇负载非晶态氧化物陶瓷纳米材料，以上操作都有利于后续原子的高度均匀分散。

其次，通过碱溶液喷雾的方式对上述原子簇负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维进行刻蚀处理，碱溶液中的OH-离子可以通过与金属原子M的配位来破坏M-O-M键，进而增加金属氧化物表面的缺陷和空位，暴露出更多的活性位点。由于活性位点的表面能较大，易于吸附反应物分子和活化反应物分子，原子簇中的原子更倾向于与活性位点结合从而降低材料整体的表面能，即原子簇中的单原子可以独立分散并填补增加的空位，进而提高单原子和非晶态氧化物陶瓷纳米纤维之间的界面结合能力，最终获得单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明的单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法，通过梯度调控煅烧过程参数，可在低温煅烧下制备原子簇负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维，并对其进行碱溶液喷雾刻蚀处理，在保留了催化剂整体结构的基础上，最终获得单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维，其兼具高负载量(≥10wt％)和高稳定性的优点。

(2)本发明的单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法为连续过程，具有较好的普适性，为开发其它单原子催化剂的连续化生产奠定了基础。

附图说明

图1为实施例1中铂单原子原位负载非晶氧化铝的XRD图；

图2为实施例2中金单原子原位负载非晶氧化锆的XRD图；

图3为实施例3中镓单原子原位负载非晶氧化钛的XRD图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

一种单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

第一步：将乙酸、正丁醇铝、正丁醇以质量比1:2:5均匀混合，其中正丁醇的质量为3g在室温下，搅拌至溶液澄清透明，形成水解液前驱体。

第二步：取100mg浓度为1mg/L的氯铂酸溶液，以0.01mg/s的滴加速度缓慢加入到第一步形成的水解液前驱体中，并在温度为15℃条件下以100rad/min的搅拌速度敞口搅拌1h，使其进行充分的水解缩聚，得到具有可纺性的无机铝溶胶。

第三步：将第二步的可纺性无机铝溶胶首先进行静电纺丝，其中静电纺丝的参数为：相对湿度25％，温度15℃，电压10kV，灌注速度0.05mL/h，滑台距离10cm，纺丝距离5cm，滚筒速度10r/min，滑台运行速度20cm/min。紧接着对上述材料进行低温梯度煅烧，其中梯度煅烧参数包括三个阶段：前期温度为30～100℃，升温速度为5℃/min，保温时间为0h，煅烧气氛选择空气且通入速度为50mL/min；中期温度为100～250℃，升温速度为3℃/min，保温时间为0h，煅烧气氛选择空气且通入速度为37.5mL/min；后期温度为250～500℃，升温速度为1℃/min，保温时间为0h，煅烧气氛选择空气且通入速度为25mL/min，最终得到铂原子簇原位负载非晶氧化铝。

第四步：对第三步中的铂原子簇原位负载非晶氧化铝表面进行碱溶液喷雾刻蚀处理，其中碱溶液选择氢氧化钠溶液。具体操作为：将浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液，在喷雾速度为1mL/min、喷雾距离为5cm的条件下，以1mL/cm2的雾化量均匀喷洒到铂原子簇原位负载非晶氧化铝上，并在喷雾温度为50℃的环境下刻蚀处理1h，最终得到负载量为15wt％的铂单原子原位负载非晶氧化铝。

对比例1

本对比例与实施例1的不同之处在于，煅烧时没有采用低温梯度煅烧，最终在非晶氧化铝表面得到的是铂纳米颗粒。将实施例1与对比例1进行对比可以看出，对比例1在煅烧时采用的煅烧参数为：煅烧温度30～500℃，升温速度3℃/min，保温时间0h，该煅烧参数缺少分阶段调控数，导致铂离子全都在材料内部发生聚集而无法迁移到材料表面，进而导致刻蚀处理无法将铂纳米颗粒分散成铂单原子，因此无法得到铂单原子原位负载非晶氧化铝。

对比例2

本对比例与实施例1的不同之处在于，碱刻蚀处理时没有采用喷雾刻蚀，最终在非晶氧化铝表面得到极其少量的铂单原子。将实施例1与对比例2进行对比可以看出，对比例2在碱刻蚀时采用浸渍法刻蚀，导致催化剂载体结构完整性被破坏，进而导致铂原子簇剥离脱落，只转化成极其少量的铂单原子，因此制备的铂单原子原位负载非晶氧化铝的负载量极低。

实施例2

一种单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

第一步：将柠檬酸铵、异丁醇锆、异丁醇以质量比1:1:6均匀混合，其中异丁醇的质量为9g，在室温下，搅拌至溶液澄清透明，形成水解液前驱体。

第二步：取300mg浓度为300mg/L的氯金酸溶液，以2.5mg/s的滴加速度加入到第一步形成的水解液前驱体中，并在温度为25℃条件下以600rad/min的搅拌速度敞口搅拌5h，使其进行充分的水解缩聚，得到具有可纺性的无机锆溶胶。

第三步：将第二步的可纺性无机锆溶胶首先进行静电纺丝，其中静电纺丝的参数为：相对湿度30％，温度25℃，电压70kV，灌注速度5mL/h，滑台距离30cm，纺丝距离30cm，滚筒速度100r/min，滑台运行速度100cm/min。紧接着对上述材料进行低温梯度煅烧，其中梯度煅烧参数包括三个阶段：前期温度为30～100℃，升温速度为5℃/min，保温时间为0.5h，煅烧气氛选择空气且通入速度为100mL/min；中期温度为100～250℃，升温速度为3℃/min，保温时间为1h，煅烧气氛选择空气且通入速度为75mL/min；后期温度为250～400℃，升温速度为1℃/min，保温时间为1.5h，煅烧气氛选择空气且通入速度为50mL/min，最终得到金原子簇原位负载非晶氧化锆。

第四步：对第三步中的金原子簇原位负载非晶氧化锆表面进行碱溶液喷雾刻蚀处理，其中碱溶液选择氢氧化钾溶液。具体操作为：将浓度为0.3mol/L的氢氧化钾溶液，在喷雾速度为5mL/min、喷雾距离为10cm的条件下，以3mL/cm2的雾化量均匀喷洒到金原子簇原位负载非晶氧化锆上，并在喷雾温度为75℃的环境下刻蚀处理6h，最终得到负载量为20wt％的金单原子原位负载非晶氧化锆。

实施例3

一种单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

第一步：将草酸、正丁醇钛、正丁醇以质量比2:1:5均匀混合，其中正丁醇的质量为15g，在室温下，搅拌至溶液澄清透明，形成水解液前驱体。

第二步：取500mg浓度为500mg/L的硝酸镓溶液，以5mg/s的滴加速度加入到第一步形成的水解液前驱体中，并在温度为35℃条件下以1000rad/min的搅拌速度敞口搅拌10h，使其进行充分的水解缩聚，得到具有可纺性的无机钛溶胶。

第三步：将第二步的可纺性无机钛溶胶首先进行静电纺丝，其中静电纺丝的参数为：相对湿度45％，温度30℃，电压100kV，灌注速度10mL/h，滑台距离50cm，纺丝距离50cm，滚筒速度200r/min，滑台运行速度200cm/min。紧接着对上述材料进行低温梯度煅烧，其中梯度煅烧参数包括三个阶段：前期温度为30～100℃，升温速度为5℃/min，保温时间为1h，煅烧气氛选择空气且通入速度为150mL/min；中期温度为100～250℃，升温速度为3℃/min，保温时间为2h，煅烧气氛选择空气且通入速度为112.5mL/min；后期温度为250～300℃，升温速度为1℃/min，保温时间为3h，煅烧气氛选择空气且通入速度为75mL/min，最终得到银原子簇原位负载非晶氧化钛。

第四步：对第三步中的镓原子簇原位负载非晶氧化钛表面进行碱溶液喷雾刻蚀处理，其中碱溶液选择氢氧化钙溶液。具体操作为：将浓度为0.5mol/L的氢氧化钙溶液，在喷雾速度为10mL/min、喷雾距离为20cm的条件下，以5mL/cm2的雾化量均匀喷洒到镓原子簇原位负载非晶氧化钛上，并在喷雾温度为100℃的环境下刻蚀处理10h，最终得到负载量为30wt％的镓单原子原位负载非晶氧化钛。

Claims (4)

1.一种单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）：将无机醇盐、螯合剂、醇溶剂混合搅拌，形成水解液前驱体；所述的无机醇盐为硅源、铝源、钛源或锆源中的一种或几种的组合；所述的螯合剂为草酸、乙酸、柠檬酸铵中的一种或几种的组合；

步骤2）：将无机金属盐溶液滴加到水解液前驱体中，同时敞口搅拌使其进行充分的水解缩聚，得到具有可纺性的无机溶胶；所述的无机金属盐为氯铂酸、氯化铂、四氨合硝酸铂、氯金酸、乙酸金、氯化金、五水氯钌酸钾中的一种或几种的组合；所述无机金属盐溶液浓度为1～500mg/L；滴加无机金属盐溶液与醇溶剂的质量比为1:30；所述滴加到工艺参数为：滴加速度0.01～5mg/s，滴加温度为15～35℃；

步骤3）：将可纺性无机溶胶依次进行静电纺丝、梯度煅烧，得到原子簇原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维；所述静电纺丝的工艺参数为：相对湿度25～45%，温度15～30℃，电压10～100kV，灌注速度0.05～10mL/h，滑台距离10～50cm，纺丝距离5～50cm，滚筒速度10～200r/min，滑台运行速度20～200cm/min；梯度煅烧三个阶段：前期：温度30～100℃，升温速度5℃/min，保温时间0～1h且不为0，煅烧气氛选择空气，通入速度A为50～150mL/min；中期：温度100～250℃，升温速度3℃/min，保温时间0～2h且不为0，煅烧气氛选择空气，通入速度为0.75AmL/min；后期：温度250～B℃，其中B=300～500，升温速度1℃/min，保温时间0~3h且不为0，煅烧气氛选择空气，通入速度为0.5AmL/min；

步骤4）：对原子簇原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维进行碱溶液喷雾刻蚀处理，最终得到单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维；所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡或氢氧化钙中的一种或几种到组合；所述喷雾刻蚀处理具体为：将碱溶液喷洒雾化到原子簇原位负载的非晶态氧化物陶瓷纳米纤维上，碱溶液的浓度为0.1～0.5mol/L，喷洒雾化量为1～5mL/cm²，喷雾速度为1～10mL/min，喷雾距离为5～20cm，喷雾温度为50～100℃，刻蚀处理时间为1～10h；

所述单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维中非晶态氧化物的负载量不小于10wt%。

2.权利要求1所述的单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述的硅源选自正硅酸四乙酯、四正丁氧基硅烷、四正丙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷或乙酸三甲基硅酯中的一种或多种组合；铝源选择异丙醇铝、正丁醇铝、三甲氧基铝、三乙醇铝、仲丁醇铝、叔丁醇铝或三正丙氧基铝中的一种或几种的组合；钛源选择正丙醇钛、正丁醇钛、异丙醇钛、异丁醇钛、四戊醇钛、四甲醇钛、四乙醇钛、叔丁醇锆或四戊醇锆中的一种或几种的组合；锆源选择叔丁醇锆、异丁醇锆、四戊醇锆、四甲醇锆、正丙醇锆、四乙醇锆、异丙醇锆或正丁醇锆中的一种或几种的组合。

3.如权利要求1所述的单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤1）所述的醇溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇、正戊醇、乙二醇、丁二醇、己二醇或丙三醇中的一种或几种的组合。

4.如权利要求1所述的单原子原位负载非晶态氧化物陶瓷纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述搅拌的速度为100～1000r/min，搅拌的时间为1～10h。