CN115591550B - 一种双原子量子点催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双原子量子点催化剂及其制备方法,属于催化剂技术领域。本发明提供的制备方法具有普适性,能够通过简单地选择第一金属盐和第二金属盐,即可得到目标双原子位点:以DTPA或DETPMP为有机配体,其能够将两个金属中心固定在距离很近的位置,通过化学键稳定距离,保证双原子位点的形成和均匀分布;于200~320℃条件下进行低温热解反应1~3h,使双金属络合物转化为碳点,量子限域以及碳点中存在的丰富官能团将进一步限制双原子位点团聚,从而使双原子催化剂中金属原子均匀分布,并调整第一金属盐中的金属离子、第二金属盐中的金属离子与有机配体的物质的量提高了金属原子负载量。
Description
技术领域
本发明属于催化剂技术领域,具体涉及一种双原子量子点催化剂及其制备方法。
背景技术
单原子催化剂(SACs)在绿色能源器件、小分子催化转化、环境修复等方面显示出巨大的潜力,但它们的活性需要进一步提升以达到实际应用的门槛。提高催化活性中心的含量和其本征活性是提高SACs整体性能的两个方面。然而,为了保证金属原子的原子级分布,传统SACs的金属负载量通常小于5wt.%或1at.%,极大地限制了SACs的性能提升。由于结构的单一性,SACs缺乏协同活性位点,因此它们的本征活性有一定的上限,特别是对于涉及多步骤的反应。为了进一步提高催化活性,衍生出双原子催化剂(DACs),它不仅继承了SACs的优点,而且还具有自己独特的特点。在DACs中,两个金属原子彼此键合或彼此相邻,由于两个相邻金属原子的距离很近,强电子相互作用可以调节金属原子的自旋态,调整d带中心,促进反应物分子的吸附和解离,赋予DACs更大的潜力。
DACs的合成过程不仅要避免金属原子团聚,还要准确控制双原子位点的形成。目前制备DACs的策略可以概括为“自下而上”和“自上而下”的策略。对于“自下而上”的策略,单核或多核金属络合物前体首先被吸附,最后被还原并限制在空位中以形成DACs,例如原子层沉积(ALD)方法,它可以将金属原子均匀地沉积在载体上,并且具有良好的可重复性,此方法虽然能够形成结构精确的双金属位点,但金属原子负载量相对较低。对于“自上而下”的策略,通常采用大块金属材料,如纳米颗粒、金属泡沫等作为前驱体,通过煅烧诱导金属原子的热迁移并制备原子分散结构,其中,MOFs是最常用的材料,包封目标金属离子后,MOFs在N2/Ar下,在800℃以上的温度下热解得到DACs,该方法已成功制备Fe-Co、Fe-Ni、Co-Ni、Cu-Zn等DACs,但由于缺乏对金属离子的限制和高温的引入,该方法存在金属原子团聚、原子负载量低(不超过15wt%)的问题。
因此,如何制备高金属原子负载且金属原子分布均匀的双原子催化剂成为本领域亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双原子量子点催化剂及其制备方法。本发明制备的双原子量子点催化剂中双金属位点有效地合成,金属原子分布均匀且负载量高。
本发明提供了一种双原子量子点催化剂的制备方法,包括如下步骤:
将有机配体、第一金属盐、第二金属盐和水混合,进行络合反应,得到双金属络合物;所述有机配体为二乙烯三胺五乙酸或二乙烯三胺五甲叉膦酸;
将所述双金属络合物进行热解,得到双原子量子点催化剂;所述热解的温度为200~320℃,保温时间为1~3h;所述热解在无氧环境中进行;
所述第一金属盐中的金属离子、第二金属盐中的金属离子与有机配体的物质的量之比为0.1~1:0.1~1:2。
优选的,所述第一金属盐和第二金属盐独立地为金属盐酸盐、金属醋酸盐、钼酸盐和金属硝酸盐中的一种。
优选的,所述第一金属盐中的金属和第二金属盐中的金属独立地为Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zn和Mn中的一种。
优选的,所述第一金属盐中的金属离子、第二金属盐中的金属离子与有机配体的物质的量之比为1:1:2。
优选的,所述络合反应的温度为60~90℃。
优选的,所述络合反应的时间为3~24h。
优选的,升温至所述热解的温度的速率为5℃/min。
优选的,所述热解完成后,还包括:将所述热解得到的产物分散到水中,再将所得分散液依次进行过滤、透析和干燥。
优选的,所述无氧环境由惰性气体或氮气提供。
本发明还提供了上述方案所述制备方法制备得到的双原子量子点催化剂,双金属原子的含量>15wt%。
本发明提供了一种双原子量子点催化剂的制备方法,包括如下步骤:将有机配体、第一金属盐、第二金属盐和溶剂混合,进行络合反应,得到双金属络合物;所述有机配体为二乙烯三胺五乙酸(DTPA)或二乙烯三胺五甲叉膦酸(DETPMP);将所述双金属络合物进行热解,得到双原子量子点催化剂;所述热解的温度为200~320℃,保温时间为1~3h;所述热解在无氧环境中进行;所述第一金属盐中金属离子、第二金属盐中金属离子与有机配体的物质的量之比为0.1~1:0.1~1:2。本发明以DTPA或DETPMP作为有机配体,其能够将两个金属中心固定在距离很近的位置,并通过化学键稳定距离,保证双原子位点的形成和均匀分布;再于200~320℃条件下进行低温热解反应,使得双金属络合物转化为碳点,量子限域以及碳点中存在的丰富官能团(羟基、羧基、吡啶N、吡咯N和氧化N)将进一步防止双原子位点团聚,从而实现双原子催化剂中金属原子的均匀分布,且所制备的催化剂有较高的金属负载量。通过控制热解的时间也能够避免形成的碳点团聚,最终实现双原子催化剂中金属原子的均匀分布和双原子位点的有效制备。实验结果表明,本发明制备的双原子量子点催化剂双金属原子含量>15wt%,且金属原子均匀分布,未出现团聚现象,且双原子位点能够有效地制备。
附图说明
图1为实施例1中双金属络合物、FeNi双原子量子点催化剂、水溶液和紫外光下的水溶液的图片;
图2为实施例1制备得到的FeNi双原子量子点催化剂的透射电镜图;
图3为实施例1制备得到的FeNi双原子量子点催化剂的像差校正的高角环形暗场透射电镜图;
图4为实施例1制备得到的FeNi双原子量子点催化剂中金属Ni傅里叶变换的K边X射线吸收近光谱;
图5为实施例1制备得到的FeNi双原子量子点催化剂中金属Fe傅里叶变换的K边X射线吸收近光谱;
图6为实施例1、对比例1和对比例制备得到的催化剂的电化学析氧性能曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种双原子量子点催化剂的制备方法,包括如下步骤:
将有机配体、第一金属盐、第二金属盐和水混合,进行络合反应,得到双金属络合物;所述有机配体为二乙烯三胺五乙酸或二乙烯三胺五甲叉膦酸;
将所述双金属络合物进行热解,得到双原子量子点催化剂;所述热解的温度为200~320℃,保温时间为1~3h;所述热解在无氧环境中进行;
所述第一金属盐、第二金属盐与有机配体的物质的量之比为0.1~1:0.1~1:2。
在本发明中,未经特殊说明,所用原料均为本领域熟知的市售商品。
本发明将有机配体、第一金属盐、第二金属盐和水混合,进行络合反应,得到双金属络合物。
在本发明中,所述有机配体为DTPA或DETPMP。本发明以DTPA或DETPMP作为有机配体,能够将两个金属中心固定在距离很近的位置,并通过化学键稳定距离,保证双原子位点的形成和均匀分布。
在本发明中,所述第一金属盐和第二金属盐独立地优选为盐酸盐、醋酸盐、钼酸盐和硝酸盐中的一种;所述第一金属盐中的金属和第二金属盐中的金属优选独立地为Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zn和Mn中的一种。在本发明中,当所述第一金属盐和第二金属盐中的金属相同时,形成的是相同原子的二聚体,如Pt2二聚体;当所述第一金属盐和第二金属盐中的金属不同时,形成的是不同原子的二聚体,如Pt-Ru二聚体。本领域技术人员可以根据实际需要选择第一金属盐和第二金属盐。例如:当形成的是相同原子的二聚体时,第一金属盐和第二金属盐可以相同也可以不同。具体的,在本发明实施例中,制备FeNi双原子量子点催化剂时,可以选择无水氯化铁(FeCl3)和六水合氯化镍(NiCl2·6H2O);制备NiMn双原子量子点催化剂时,可以选择无水氯化锰(MnCl2)和六水合氯化镍(NiCl2·6H2O);制备NiCu双原子量子点催化剂时,可以选择无水氯化铜(CuCl2)和六水合氯化镍(NiCl2·6H2O);制备CoMn双原子量子点催化剂时,可以选择无水氯化钴(CoCl2)和无水氯化锰(MnCl2);制备FeMo双原子量子点催化剂时,可以选择无水氯化铁(FeCl3)和四水合钼酸铵((NH4)2MoO4·4H2O)。在本发明中,所述第一金属盐、第二金属盐与有机配体的物质的量之比为0.1~1:0.1~1:2,优选为1:1:2。本发明通过第一金属盐和第二金属盐的选择使得相邻的双原子量子点保持一定的距离,防止团聚。
在本发明中,所述溶剂优选为去离子水。本发明对所述去离子水的用量没有特殊的限定,只要保证将各原料在络合温度下溶解即可。
本发明对有机配体、第一金属盐、第二金属盐和水混合的操作没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的制备混合物料的技术方案即可。具体的,在本发明实施例中,是先将第一金属盐、第二金属盐和有机配体加入到烧瓶中,最后加入水进行混合。
在本发明中,所述络合反应的温度优选为60~90℃,更优选为80~90℃;所述络合反应的时间优选为3~24h,更优选为6~12h。在本发明中,所述络合反应优选在油浴锅中、搅拌回流条件下进行。本发明对所述搅拌的操作没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的搅拌操作即可。
络合反应完成后,本发明优选将络合反应得到的产物冷却至室温,然后过滤,除去所得滤液中的水分,得到双金属络合物。在本发明中,所述过滤优选采用布氏漏斗。本发明采用过滤能够去除络合反应得到的产物中的不溶性杂质。在本发明中,除去所得滤液中的水分的方式优选为旋蒸或干燥;所述旋蒸优选在旋转蒸发仪上进行;所述旋蒸优选在真空的条件下进行;所述旋蒸的温度优选为75℃。在本发明中,所述干燥优选为烘干或冷冻干燥;所述烘干优选在烘箱中进行;所述烘干的温度优选为70~90℃。本发明对所述烘干的时间没有特殊的限定,烘干至恒重即可。本发明对所述冷冻干燥的操作没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的操作即可。
得到双金属络合物后,本发明将所述双金属络合物进行热解,得到双原子量子点催化剂。
在本发明中,所述热解的温度为200~320℃,优选为250~300℃,更优选为280℃,保温时间为1~3h,优选为2~2.5h。本发明于200~320℃条件下进行低温热解,使得双金属络合物转化为碳点,量子限域以及碳点中存在的丰富官能团将进一步限制双原子位点团聚,从而实现双原子催化剂中金属原子的均匀分布,同时提高金属原子负载量;通过控制热解的时间能够避免热解反应的时间过长导致碳点团聚,热解反应的时间过短导致不能有效地转化为碳点。本发明优选将双金属络合物均匀铺在石英舟内然后将所述石英舟放入管式炉的中间位置进行热解。在本发明中,所述热解在无氧环境中进行。所述无氧环境优选由惰性气体或氮气提供。所述惰性气体优选为氩气。升温至所述热解的温度的速率优选为5℃/min。
热解完成后,本发明优选将所述热解得到的产物分散到水中,再将所得分散液依次进行过滤、透析和干燥,得到双原子量子点催化剂。在本发明中,所述水优选为去离子水。本发明对所述水的用量没有特殊的限定,能够将热解反应产物分散均匀即可。本发明采用去离子水不仅能够避免引入其他的杂质,还能够将热解得到的产物中的可溶性物质溶解。在本发明中,所述分散优选在超声条件下进行。本发明对所述超声的工艺参数没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的操作即可。在本发明中,所述过滤优选依次采用直径为220nm、100nm和15nm的纤维素滤膜。本发明过滤时依次采用直径为220nm、100nm和15nm的纤维素滤膜能够先过滤除去大杂质,随后除去再小一些的杂质。在本发明中,所述透析优选采用截留分子量为500的透析袋;所述透析的天数优选为3天。本发明采用透析能够去除双原子量子点催化剂外的可溶性杂质。在本发明中,所述干燥优选为冷冻干燥。本发明对所述冷冻干燥的操作没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的操作即可。
本发明以DTPA或DETPMP作为有机配体,其有机配体能够将两个金属中心固定在距离很近的位置,并通过化学键稳定距离,保证双原子位点的形成和均匀分布;再于200~320℃条件下进行低温热解,使得双金属络合物转化为碳点(平均粒径小于5nm的小型0维碳材料),其丰富的表面官能团能够牢固且均匀地固定金属原子,并且小尺寸的量子限制效应能够限制金属原子聚集并产生更多双原子位点,从而实现双原子催化剂中金属原子的均匀分布,同时提高金属原子负载量;通过控制热解反应的时间能够避免形成的碳点团聚,从而进一步实现双原子催化剂中金属原子的均匀分布,进而获得具有均匀、致密和独特的双原子位点的高金属负载碳点。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的双原子量子点催化剂,双金属原子的含量>15wt%。本发明所述双原子量子点催化剂可用于为电催化反应生产高活性催化剂,所述电催化反应优选包括氧还原反应,析氧反应、析氢反应、氮气还原反应、过氧化氢制备或尿素氧化反应。
本发明提供的双原子量子点催化剂中金属原子均匀分布,且双原子位点致密,金属原子负载量高;尺寸均匀,为1.5~4.5nm,具有很好的迁移性,可直接负载于碳纸、碳布等电极上,也可以将其通过π-π相互作用负载于具有碳材料或者其他基体材料上用于催化反应。
为了进一步说明本发明,下面结合附图和实施例对本发明提供的双原子量子点催化剂及其制备方法进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
FeNi双原子量子点催化剂的制备方法由如下步骤组成:
(1)称取0.811gFeCl3、1.190gNiCl2·6H2O和3.930gDTPA于250mL圆底烧瓶内,加入100mL去离子水进行混合,再置于油浴锅内,在90℃下搅拌回流6h进行络合反应,然后冷却至室温,之后用布氏漏斗过滤,随后转移至茄形旋蒸瓶中,用循环水式多用真空泵抽真空,在旋转蒸发仪上以75℃的温度旋蒸,得到双金属络合物;
(2)将2g所述双金属络合物均匀地铺在石英舟内,随后将石英舟放于管式炉中间位置,在Ar的气氛下,以5℃/min的升温速率升至250℃保温2h进行热解,之后冷却至室温,然后置于100mL烧杯,加入50mL去离子水,超声1h,随后用220nm、100nm和15nm的滤膜依次过滤,再将过滤得到的溶液倒入截留分子量为500的透析袋中透析72h,最后用液氮冷冻后,放置于真空冷冻干燥机冻干,得到金属质量含量为比17.4%FeNi双原子量子点催化剂,其粒径为1.5~4.5nm。
图1从左到右依次为为实施例1中双金属络合物、FeNi双原子量子点催化剂、水溶液和紫外光下的水溶液的图片。其中,水溶液的制备方法为将FeNi双原子量子点催化剂直接溶解于水。由图1可知,将FeNi双原子量子点催化剂的水溶液具有荧光效应,同时也证明了合成的碳材料是量子点。
对实施例1制备得到的FeNi双原子量子点催化剂进行透射电镜扫描,结果如图2和3所示,其中,图2为实施例1制备得到的FeNi双原子量子点催化剂的透射电镜图;图3为实施例1制备得到的FeNi双原子量子点催化剂的像差校正的高角环形暗场透射电镜图。
从图2可以看出,FeNi双原子量子点催化剂的直径在10nm以下,且彼此间没有团聚。
从图3可以看出,制备得到的FeNi双原子量子点催化剂分散存在,且金属原子(图中亮点)较多地以双原子位点的形式存在,而不是单独地分散,说明实施例1的制备方法成功合成了双原子催化剂。
图4为实施例1制备得到的FeNi双原子量子点催化剂中金属Ni傅里叶变换的K边X射线吸收近光谱;图5为实施例1制备得到的FeNi双原子量子点催化剂中金属Fe傅里叶变换的K边X射线吸收近光谱。
从图4和5可以看出,光谱中只存在横坐标为1~2之间的一个峰,这个峰代表着金属Ni以Ni-N/O的配位存在,金属Fe以Fe-N/O的配位存在,说明Ni和Fe均是以原子级别的分散存在,并不是金属相。
对比例1
与实施例1不同的仅是:未添加FeCl3。
对比例2
与实施例1不同的仅是:未添加NiCl2·6H2O。
将实施例1、对比例1和对比例2制备得到的催化剂在碱性条件下进行电化学析氧反应,结果如图6所示,其中,评价指标为纵坐标电流密度为10mA cm-2时,横坐标的数值越小越好。从图6可以看出,实施例1相较于对比例1和2的催化剂由较好的析氧性能,电位为1.47V,催化剂的性能得到了明显的提升,说明金属位点Ni和Fe能够有效合成FeNi双位点催化剂,借助两者之间的相互作用能够使得催化剂的性能有较大地提升。
实施例2
NiMn双原子量子点催化剂的制备方法由如下步骤组成:
(1)称取0.629gMnCl2、1.190gNiCl2·6H2O和3.930gDTPA于250mL圆底烧瓶内,加入100mL去离子水进行混合,再置于油浴锅内,在90℃下搅拌回流6h进行络合反应,然后冷却至室温,之后用布氏漏斗过滤,随后转移至茄形旋蒸瓶中,用循环水式多用真空泵抽真空,在旋转蒸发仪上以75℃的温度旋蒸,得到双金属络合物;
(2)将2g所述双金属络合物均匀地铺在石英舟内,随后将石英舟放于管式炉中间位置,在Ar的气氛下,以5℃/min的升温速率升至280℃保温2h进行热解,之后冷却至室温,然后置于100mL烧杯,加入50mL去离子水,超声1h,随后用220nm,100nm和15nm的滤膜依次过滤,再将过滤得到的溶液倒入截留分子量为500的透析袋中透析72h,最后用液氮冷冻后,放置于真空冷冻干燥机冻干,得到金属质量含量为21.11%的NiMn双原子量子点催化剂,其粒径为2~4.3nm。
实施例3
NiCu双原子量子点催化剂的制备方法由如下步骤组成:
(1)称取0.937gCuCl2、1.190gNiCl2·6H2O和3.930gDTPA于250mL圆底烧瓶内,加入100mL去离子水进行混合,再置于油浴锅内,在90℃下搅拌回流6h进行络合反应,然后冷却至室温,之后用布氏漏斗过滤,随后转移至茄形旋蒸瓶中,用循环水式多用真空泵抽真空,在旋转蒸发仪上以75℃的温度旋蒸,得到双金属络合物;
(2)将所述双金属络合物均匀地铺在石英舟内,随后将石英舟放于管式炉中间位置,在Ar的气氛下,以5℃/min的升温速率升至300℃保温2h进行热解反应,之后冷却至室温,然后置于100mL烧杯,加入50mL去离子水,超声1h,随后用220nm,100nm和15nm的滤膜依次过滤,再将过滤得到的溶液倒入截留分子量为500的透析袋中透析72h,最后用液氮冷冻后,放置于真空冷冻干燥机冻干,得到金属质量含量为18.33%NiCu双原子量子点催化剂,其粒径为1.78~4.0nm。
实施例4
CoMn双原子量子点催化剂的制备方法由如下步骤组成:
(1)称取0.629gMnCl2、0.649gCoCl2和3.93gDTPA于250mL圆底烧瓶内,加入100mL去离子水进行混合,再置于油浴锅内,在90℃下搅拌回流6h进行络合反应,然后冷却至室温,之后用布氏漏斗过滤,随后转移至茄形旋蒸瓶中,用循环水式多用真空泵抽真空,在旋转蒸发仪上以75℃的温度旋蒸,得到双金属络合物;
(2)将所述双金属络合物均匀地铺在石英舟内,随后将石英舟放于管式炉中间位置,在Ar的气氛下,以5℃/min的升温速率升至250℃保温2h进行热解反应,之后冷却至室温,然后置于100mL烧杯,加入50mL去离子水,超声1h,随后用220nm,100nm和15nm的滤膜依次过滤,再将过滤得到的溶液倒入截留分子量为500的透析袋中透析72h,最后用液氮冷冻后,放置于真空冷冻干燥机冻干,得到金属质量含量为15.12%CoMn双原子量子点催化剂,其粒径为1.8~4.0nm。
实施例5
FeMo双原子量子点催化剂的制备方法由如下步骤组成:
(1)称取0.811gFeCl3、1.366g(NH4)2MoO4·4H2O和3.93gDTPA于250mL圆底烧瓶内,加入100mL去离子水进行混合,再置于油浴锅内,在90℃下搅拌回流6h进行络合反应,然后冷却至室温,之后用布氏漏斗过滤,随后转移至茄形旋蒸瓶中,用循环水式多用真空泵抽真空,在旋转蒸发仪上以75℃的温度旋蒸,得到双金属络合物;
(2)将所述双金属络合物均匀地铺在石英舟内,随后将石英舟放于管式炉中间位置,在Ar的气氛下,以5℃/min的升温速率升至250℃保温2h进行热解反应,之后冷却至室温,然后置于100mL烧杯,加入50mL去离子水,超声1h,随后用220nm,100nm和15nm的滤膜依次过滤,再将过滤得到的溶液倒入截留分子量为500的透析袋中透析72h,最后用液氮冷冻后,放置于真空冷冻干燥机冻干,得到金属质量含量为16.14%FeMo双原子量子点催化剂,其粒径为1.78~4.3nm。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述,但它仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部实施例,还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例,这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (8)
1.一种双原子量子点催化剂的制备方法,其特征在于,步骤为:
将有机配体、第一金属盐、第二金属盐和水混合,进行络合反应,将络合反应得到的产物冷却至室温,然后过滤,除去所得滤液中的水分,得到双金属络合物;所述有机配体为二乙烯三胺五乙酸或二乙烯三胺五甲叉膦酸;所述络合反应的温度为60~90℃;
将所述双金属络合物进行热解,将所述热解得到的产物分散到水中,再将所得分散液依次进行过滤、透析和干燥,得到双原子量子点催化剂;所述热解的温度为250~320℃,保温时间为1~3h;所述热解在无氧环境中进行;
所述第一金属盐中的金属离子、第二金属盐中的金属离子与有机配体的物质的量之比为0.1~1:0.1~1:2。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述第一金属盐和第二金属盐独立地为金属盐酸盐、金属醋酸盐、钼酸盐和金属硝酸盐中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述第一金属盐中的金属和第二金属盐中的金属独立地为Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zn和Mn中的一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述第一金属盐中的金属离子、第二金属盐中的金属离子与有机配体的物质的量之比为1:1:2。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述络合反应的时间为3~24h。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,升温至所述热解的温度的速率为5℃/min。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述无氧环境由惰性气体或氮气提供。
8.权利要求1~7任意一项所述制备方法制备得到的双原子量子点催化剂,其特征在于,双金属原子的含量>15wt%。
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