一种单分散金属纳米颗粒-分子筛复合材料及其制备方法

本发明属于纳米复合材料领域，具体涉及一种单分散金属纳米颗粒-分子筛复合材料及其制备方法。

背景技术：

0、技术背景

1、贵金属具有很好的催化能力，但是价格比较昂贵，因此经常将其分散到不同的载体上提高其利用率，并且载体和金属之间的相互作用也可以调控材料的催化能力。除了贵金属以外，其他一些过渡金属纳米颗粒也具有很好的催化性能，如cu，ni等，他们都具有很好的电催化以及光催化活性。

2、au，ag，pt金属单质很稳定所以很容易通过低温加热制备，不需要还原剂对其进行还原，而ru，rh，ir，cu，ni等金属单质目前都需要通过氢气或者其他还原剂进行还原，或者高温高真空还原。例如浸渍法需要将载体分散到金属盐溶液后搅拌蒸干，然后再进行煅烧，最后进行氢气退火还原才可以得到这些金属纳米颗粒负载在载体上的复合材料，如专利cn109046422b， cn109731608b，cn109759067a，cn103272634a等，这些合成方法制备过程都比较复杂，且成本较高，而且制备得到的材料中金属纳米颗粒的尺寸不好控制且分布不均匀，并且通过浸渍法等制备的催化剂中会含有氯从而影响其催化性能，通过氢气加热还原的产物中由于“氢气溢流效应”导致其催化性能变差。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明根据材料科学最新研究，提出利用分子筛孔道的空间限域以及被吸附的处于亚稳态的金属离子在加热过程中碰撞成键的全新材料合成机理，从而实现了仅需通过低温退火且无需氢气还原在惰性气氛下得到单分散低尺寸金属纳米颗粒的复合材料，解决了传统浸渍法必须依赖还原气体氛围，制备步骤复杂，成本高，产物含卤素等杂质降低金属催化活性等关键问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、第一方面本发明提供了一种单分散金属纳米颗粒-分子筛复合材料，其利用分子筛孔道空间限域作用和吸附金属离子热促碰撞成键机理，无需还原剂或高温高真空条件，从而避免卤素污染影响催化活性。所述复合材料中的金属纳米颗粒包括ru，rh，ir，cu，ni，fe，co，mn，zn等贵金属或非贵金属一种或多种，组成形式包括单质和合金。

4、本发明中，金属纳米颗粒原位生长在分子筛孔道中。

5、本发明中，金属纳米颗粒负载量为0.1-10wt％，尺寸在1-5nm。

6、本发明中，产物中不含卤素以避免影响催化活性。

7、第二方面本发明提供了这种单分散金属纳米颗粒-分子筛复合材料的制备方法。

8、所述材料的制备方面包括下列步骤：

9、(1)将多孔分子筛分散到各种可溶性金属盐溶液中在常温下进行充分搅拌吸附。

10、(2)将吸附后的溶液进行抽滤，水洗三次，干燥。

11、(3)将干燥后的样品进行低温惰性气氛退火即可得到分子筛孔道限域生长的金属纳米颗粒的复合材料。

12、本发明所述的金属盐包括ru，rh，ir，cu，ni，co，fe，mn，zn等过渡金属的可溶性盐。

13、本发明所述的金属盐溶液浓度为0.1m-10m。

14、本发明所述的惰性气氛包括氮气或者氩气氦气等惰性气体的一种或多种组合。

15、本发明所述的退火温度为300-700℃。

16、本发明公开的合成方法可以将一些必须通过还原剂还原或者通过高真空高温还原才能得到金属纳米颗粒如ru，cu，ni，fe等，通过简单的低温氩退火即可制备出来，不需要还原剂以及高真空高温的苛刻条件，降低了制备的成本，其反应原理是在于利用分子筛孔道的空间限域以及被吸附的处于亚稳态的金属离子在加热过程中碰撞成键得到金属纳米颗粒。

17、与现有技术相比本发明至少存在以下优势：

18、1，不依赖氢气等还原剂还原以及高温高真空的反应条件，制备工艺简单，成本低，且可大批量制备。

19、2，可以通过分子筛孔道控制金属纳米颗粒的大小。

20、3，合成的金属纳米颗粒分布十分均匀。

21、4，可以通过控制金属盐溶液的浓度来控制金属纳米颗粒的负载量。

22、5，与浸渍法相比产物中基本不含氯，可以有效避免它们对催化剂性能的影响。

23、6，制备方法具有普适性，可以适用于包括贵金属以外的其他过渡金属。

技术特征：

1.一种单分散金属纳米颗粒-分子筛复合材料及其制备方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的单分散金属纳米颗粒-分子筛复合材料及其制备方法其特征在于合成方法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的分子筛为具有离子交换能力的各种多孔钛硅分子筛(m′2m)o·tio2·xsio2·yh2o或者硅铝酸盐分子筛(m′2m)o·al2o3·xsio2·yh2o，m′、m分别为一价、二价阳离子包括k+、na+和ca2+、ba2+等，孔道尺寸为0.4-0.9nm。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的金属盐包括ru，rh，ir，cu，ni，co，fe，mn，zn等过渡金属的可溶性盐。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的金属盐溶液浓度为0.1m-10m。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中的惰性气氛包括氮气，氩气或者氦气等惰性气体的一种或多种组合。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中的退火温度为300-700℃。

8.根据权利要求1所述的单分散金属纳米颗粒-分子筛复合材料及其制备方法的应用，其特征在于应用于电催化，光催化，热催化，燃料电池等各个领域。

技术总结
本发明公开了一种单分散金属纳米颗粒‑分子筛复合材料及其制备方法，利用分子筛孔道的空间限域以及被吸附的处于亚稳态的金属离子在加热过程中碰撞成键，实现了仅需通过低温退火且无需氢气还原在惰性气氛下得到单分散低尺寸金属纳米颗粒的复合材料。该复合材料和制备方法适用于各种具有离子交换能力的分子筛，可制备含Ru，Rh，Ir，Cu，Ni，Fe，Co等多种过渡金属及其合金的复合材料，具有一定的普适性。与以往的浸渍法相比，制备步骤简单，成本较低，不含卤素等杂质并且由于分子筛孔道的限域可以控制金属纳米颗粒的尺寸大小。本发明制备的材料可以用于电催化，光催化等各个领域，具有很好的催化性能。

技术研发人员：黄富强,梁松
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12