一种单原子金属催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及单原子催化，尤其涉及一种单原子金属催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、催化剂在能源、信息、生物工程等领域都起着举足轻重的作用。为了提高催化剂的活性、选择性和原子利用率，能够提供单个活性位点的单原子催化剂逐渐成为催化剂领域的热点，在析氢、氧还原、二氧化碳还原等方面受到巨大的关注。因此，如何简便、普适、低成本地制备单原子催化剂成为了催化方向一个具有巨大前景的发展方向，浸渍法、共沉淀法、原子层沉积法、高温原子捕获法等制备方法层出不穷。例如，cheng课题组通过室温下的浸渍制备了s掺杂炭黑载体上的双位点ru单原子催化剂，并将这一方法推广至ir、rh、pt等元素。zhang等通过氯铂酸和硝酸铁共沉淀制备了氧化铁纳米晶体上的pt单原子催化剂。stambula课题组在n掺杂的石墨烯纳米片上利用原子层沉积法制备了pt单原子催化剂，并能够通过对原子层沉积循环次数的控制调节pt单原子催化剂的尺寸。abhaya课题组将pt/la-al2o3与ceo2粉体在800℃下高温保温10h，制备了ceo2载体上的pt单原子催化剂，并发现这一催化剂在co氧化反应后仍存在，较为稳定。

2、然而，现有的单原子制备方法仍然存在着各自的局限。比如：湿化学法虽然成本低廉，但反应精度较难控制；原子层沉积法虽然精度高，但反应成本高昂、反应条件要求高；高温原子捕获法虽然较为简便，但对反应物种类有所限制。因此，在单原子催化领域，有必要提供一种简便、低成本、普适的方式，以制备单原子催化剂。

3、鉴于此，提出本发明。

技术实现思路

1、本发明提供一种单原子金属催化剂及其制备方法和应用，用以解决现有技术中单原子制备方法所存在的反应精度较难控制、反应成本高昂、反应条件要求高、反应物种类有所限制等缺陷，本发明通过采用两次以上的真空热蒸镀方法在碳膜上制备单原子金属催化剂，不仅操作简便、成本低廉、所需材料仅为传统材料，且能够制备大面积的单原子金属催化剂，有实现大面积、批量生产单原子金属催化剂的巨大潜力。

2、具体地，本发明提供一种单原子金属催化剂的制备方法，包括：采用真空热蒸镀方法向碳膜上蒸镀金属层得到基底后，继续采用真空热蒸镀方法向所述基底上进行n次蒸镀，前一次蒸镀得到的层结构作为后一次蒸镀的基底，每次蒸镀时均采用纯度≥99.99％的金属颗粒作为金属源，且每相邻两次蒸镀采用的金属源不同，在第n次蒸镀时使形成的金属层的厚度≤20nm，即得所述单原子金属催化剂。

3、本发明中的前一次蒸镀得到的层结构作为后一次蒸镀的基底是指：以第n-1次蒸镀得到的层结构作为第n次蒸镀的基底，以此类推，第1次蒸镀得到的层结构作为第2次蒸镀的基底，而第1次蒸镀的基底即为所述采用真空热蒸镀方法向碳膜上蒸镀金属层得到，其中，采用真空热蒸镀方法向碳膜上蒸镀金属层时，金属层主要由金属颗粒排列而成。

4、本发明中的蒸镀均在碳膜的同一侧进行。

5、本发明中的单原子金属催化剂是指金属元素以单原子结构存在且其能够起到催化作用的物质。

6、在试验中发现，上述制备单原子金属催化剂的过程中，所采用的碳膜以及最后一次蒸镀时形成的金属层的厚度起到关键作用，若将该碳膜替换为非颗粒结构的致密金属膜基底、玻璃或者硅片等，或者蒸镀的最后一次蒸镀时形成的金属层的厚度过大，将无法得到上述含有单原子金属催化剂，最后一次蒸镀时，为了得到更高含量的单原子金属，优选所述第n次蒸镀时使形成的金属层的厚度≤10nm。

7、根据本发明提供的单原子金属催化剂的制备方法，当n≥2时，向所述基底上进行的每次蒸镀所形成的金属层的厚度均≤20nm。

8、根据本发明提供的单原子金属催化剂的制备方法，所述向碳膜上蒸镀金属层采用的金属源为cu颗粒、au颗粒或者ag颗粒。

9、根据本发明提供的单原子金属催化剂的制备方法，所述向碳膜上蒸镀金属层的厚度一般为20nm以内。

10、根据本发明提供的单原子金属催化剂的制备方法，所述向所述基底上进行n次蒸镀采用的金属源为ag颗粒、pd颗粒或者au颗粒。

11、根据本发明提供的单原子金属催化剂的制备方法，所述向碳膜上蒸镀金属层的蒸镀参数为：真空度为10-3pa以下。

12、根据本发明提供的单原子金属催化剂的制备方法，所述向所述基底上进行n次蒸镀的蒸镀参数为：真空度为10-3pa以下。

13、本发明还提供如上所述单原子金属催化剂的制备方法制得的单原子金属催化剂。

14、根据本发明提供的单原子金属催化剂，包括：碳膜、所述碳膜上的金属颗粒及位于所述金属颗粒上一种以上的单原子金属。

15、本发明还提供如上所述单原子金属催化剂的应用。具体地，该单原子金属催化剂可被用于催化电解水制氢，有助于绿色、无污染地制取氢气；还可被用于二氧化碳的还原，使二氧化碳转化为高阶碳产物，有利于促进环境保护，实现碳中和。

16、本发明提供的一种单原子金属催化剂及其制备方法和应用，相较于当前制备单原子金属催化剂的各种方法，本发明首次提出采用两次以上的真空热蒸镀方法在碳膜上制备单原子金属催化剂，该方法不仅操作简便、成本低廉，且能够制备大面积的单原子金属催化剂，有实现大面积、批量生产单原子金属催化剂的巨大潜力，另外，本发明的方法所需材料为传统材料，能够被广泛地应用于各种金属，甚至能够用于制备负载有不同元素单原子的催化剂，具有十分重要的技术意义。

技术特征：

1.一种单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，包括：采用真空热蒸镀方法向碳膜上蒸镀金属层得到基底后，继续采用真空热蒸镀方法向所述基底上进行n次蒸镀，前一次蒸镀得到的层结构作为后一次蒸镀的基底，每次蒸镀时均采用纯度≥99.99％的金属颗粒作为金属源，且每相邻两次蒸镀采用的金属源不同，在第n次蒸镀时使形成的金属层的厚度≤20nm，即得所述单原子金属催化剂。

2.根据权利要求1所述单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，当n≥2时，向所述基底上进行的每次蒸镀所形成的金属层的厚度均≤20nm。

3.根据权利要求1或2所述单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述向碳膜上蒸镀金属层采用的金属源为cu颗粒、au颗粒或者ag颗粒。

4.根据权利要求1～3中任一项所述单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述向所述基底上进行n次蒸镀采用的金属源为ag颗粒、pd颗粒或者au颗粒。

5.根据权利要求1～4中任一项所述单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述向碳膜上蒸镀金属层的厚度为20nm以内。

6.根据权利要求1～5中任一项所述单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述向碳膜上蒸镀金属层的蒸镀参数为：真空度为10-3pa以下。

7.根据权利要求1～6中任一项所述单原子金属催化剂的制备方法，其特征在于，所述向所述基底上进行n次蒸镀的蒸镀参数为：真空度为10-3pa以下。

8.权利要求1～7中任一项所述单原子金属催化剂的制备方法制得的单原子金属催化剂。

9.根据权利要求8所述的单原子金属催化剂，其特征在于，包括：碳膜、所述碳膜上的金属颗粒及位于所述金属颗粒上一种以上的单原子金属。

10.权利要求8或9所述单原子金属催化剂的应用。

技术总结
本发明涉及单原子催化技术领域，提供一种单原子金属催化剂及其制备方法和应用，该方法包括：采用真空热蒸镀方法向碳膜上蒸镀金属层得到基底后，继续采用真空热蒸镀方法向所述基底上进行n次蒸镀，前一次蒸镀得到的层结构作为后一次蒸镀的基底，每次蒸镀时均采用纯度≥99.99％的金属颗粒作为金属源，且每相邻两次蒸镀采用的金属源不同，在第n次蒸镀时使形成的金属层的厚度≤20nm，即得所述单原子金属催化剂。本发明通过采用两次以上的真空热蒸镀方法在碳膜上制备单原子金属催化剂，不仅操作简便、成本低廉、所需材料仅为传统材料，且能够制备大面积的单原子金属催化剂，有实现大面积、批量生产单原子金属催化剂的巨大潜力。

技术研发人员：李晶,王泓麟,朱宏伟
受保护的技术使用者：北京建筑材料科学研究总院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15