一种单原子催化剂及其制备方法与应用与流程

本发明属于电化学合成氨催化剂，特别涉及一种单原子催化剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、氨作为重要的化工原料和农业肥料，在工业生产和农业生产中都有广泛应用。传统合成氨的过程需要高压、高温和大量天然气作为原料，对能源的需求较大。电化学合成氨技术可以利用风能、太阳能等可再生能源进行合成氨，这样既可以提高能源利用效率，也有利于减少对传统能源的依赖。电化学硝酸根还原合成氨技术是一种利用电化学方法，通过将硝酸根离子进行还原反应，产生氨的技术。电化学合成氨技术中，通常采用催化剂来加速硝酸根电化学还原反应。然而由于该反应涉及8个电子转移，反应动力学缓慢，目前仍然缺乏高效的催化。且进一步降低催化剂的制备成本也很有必要。

2、因此，亟需提供一种新的催化剂，对电化学还原硝酸盐合成氨具有高效催化作用。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种单原子催化剂及其制备方法与应用。本发明所述单原子催化剂以廉价的氧化钛为多孔结构的载体材料，负载贵金属单原子即可显著的提升电化学硝酸根还原合成氨的能力。且本发明所述单原子催化剂的制备方法简单便捷。

2、本发明的第一方面提供一种单原子催化剂。

3、具体的，一种单原子催化剂，包括具有多孔结构的氧化钛载体和负载于所述多孔结构的氧化钛载体上的贵金属单原子。

4、优选的，所述贵金属单原子的重量为所述单原子催化剂总重量的0.1-1％；进一步优选为0.5-1％。

5、优选的，所述贵金属单原子选自钌、铑、钯、铱中至少一种。

6、所述氧化钛载体具有丰富的球形大孔结构，并且贵金属以单原子形式分散在载体上。

7、本发明的第二方面提供一种单原子催化剂的制备方法。

8、具体的，一种单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

9、s1、将钛盐溶解在溶剂中，得到钛盐溶液；

10、s2、将贵金属前驱体加入到所述钛盐溶液中，溶解后，加入模板剂，分散后得到混合溶液；

11、s3、将所述混合溶液进行干燥，并在空气中热处理，即制得所述单原子催化剂。

12、优选的，步骤s1中，所述溶剂包括水。

13、优选的，步骤s1中，所述钛盐选自四氯化钛，三氯化钛，硫酸氧钛，硝酸钛中的至少一种。

14、优选的，步骤s2中，所述混合溶液中，钛盐和贵金属前驱体的质量比为100:(0.1-5.2)，进一步优选为100:(0.1-5)。

15、优选的，步骤s2中，所述混合溶液中，所述钛盐与模板剂的质量比为10:(1-110)，进一步优选为10:(1-100)。

16、优选的，步骤s2中，所述贵金属前驱体选自氯化钌、乙酸钌、乙酰丙酮钌、硝酸钌、氯化铑、氯铑酸铵、氯铑酸钠、氯化钯、氯钯酸钠、氯钯酸铵、氯钯酸钾、氯化铱、氯铱酸、氯铱酸钠、氯铱酸铵、氯铱酸钾中至少一种。

17、优选的，步骤s2中，所述模板剂选自聚甲基丙烯酸甲酯球，聚苯乙烯球中的至少一种。

18、优选的，步骤s3中，所述干燥为喷雾干燥。

19、优选的，步骤s3中，所述喷雾干燥的温度为100-200℃，流量为1-200ml/min，例如流量为10ml/min、50ml/min、100ml/min、150ml/min、200ml/min。

20、优选的，步骤s3中，所述空气中热处理的温度为180-700℃，时间为0.3-24小时；进一步优选的，所述空气中热处理的温度为200-700℃，时间为0.5-24小时。

21、本发明的第三方面提供本发明所述的单原子催化剂在电催化硝酸根还原合成氨反应中的应用。

22、本发明所述单原子催化剂在电催化合成氨反应中的应用。

23、优选的，所述应用为所述单原子催化剂在电催化硝酸根还原合成氨反应中的应用。

24、相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

25、(1)本发明所述单原子催化剂以廉价的氧化钛为多孔结构的载体材料，负载贵金属单原子即可显著的提升电化学硝酸根还原合成氨的能力。

26、(2)本发明通过含钛盐、贵金属前驱体和模板剂的混合溶液经过喷雾干燥直接成型，然后一步热处理直接将模板剂去除，钛盐转化为多孔结构氧化钛载体，贵金属前驱体转化为贵金属单原子负载在多孔氧化钛载体上。

27、(3)本发明的制备方法简单便捷，条件可控，效率高，贵金属利用率高，碱金属硝酸盐可回收重复使用，成本低，适合大规模生产。

28、(4)本发明所述单原子催化剂对电催化硝酸根还原合成氨反应的活性显著的高于氧化钛催化剂，活性有明显的提高。

技术特征：

1.一种单原子催化剂，其特征在于，包括具有多孔结构的氧化钛载体和负载于所述多孔结构的氧化钛载体上的贵金属单原子。

2.根据权利要求1所述的单原子催化剂，其特征在于，所述贵金属单原子的重量为所述单原子催化剂总重量的0.1-1％。

3.根据权利要求1所述的单原子催化剂，其特征在于，所述贵金属单原子选自钌、铑、钯、铱中至少一种。

4.权利要求1-3任一项所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述钛盐选自四氯化钛，三氯化钛，硫酸氧钛，硝酸钛中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述混合溶液中，钛盐和贵金属前驱体的质量比为100:(0.1-5.2)；和/或，步骤s2中，所述混合溶液中，所述钛盐与模板剂的质量比为10:(1-110)。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述贵金属前驱体选自氯化钌、乙酸钌、乙酰丙酮钌、硝酸钌、氯化铑、氯铑酸铵、氯铑酸钠、氯化钯、氯钯酸钠、氯钯酸铵、氯钯酸钾、氯化铱、氯铱酸、氯铱酸钠、氯铱酸铵、氯铱酸钾中至少一种。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述模板剂选自聚甲基丙烯酸甲酯球，聚苯乙烯球中的至少一种；和/或，步骤s3中，所述空气中热处理的温度为180-700℃，时间为0.3-24小时。

9.权利要求1-3任一项所述的单原子催化剂在电催化合成氨反应中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用为所述单原子催化剂在电催化硝酸根还原合成氨反应中的应用。

技术总结本发明属于电化学合成氨催化剂技术领域，公开了一种单原子催化剂及其制备方法与应用。该单原子催化剂包括具有多孔结构的氧化钛载体和负载于多孔结构的氧化钛载体上的贵金属单原子。本发明的单原子催化剂以廉价的氧化钛为多孔结构的载体材料，负载贵金属单原子即可显著的提升电化学硝酸根还原合成氨的能力。技术研发人员：赵志亮,张信义受保护的技术使用者：佛山仙湖实验室技术研发日：技术公布日：2024/4/17