CN107570149A - 一种以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法 - Google Patents

一种以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法 Download PDF

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宋红兵
刘宗
盖恒军
肖盟
吕志果
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Abstract

本发明提供了一种以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法。将聚环氧乙烷‑聚环氧丙烷‑聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)溶于乙醇溶液中,待溶解完毕后分别加入一定量的浓硫酸和浓盐酸,在室温下搅拌一定时间后加入钛酸异丙酯,搅拌一定时间后再加入氯钯酸,通过溶剂挥发诱导自组装技术制备Pd@TiO2的前驱体。将前驱体干燥后将放入马弗炉以程序升温的方式升温到一定温度并在该温度下保持一段时间;煅烧完毕后,在一定温度下用H2/N2混合气进行还原,得到颗粒均匀的钯单原子催化剂。本发明所制备的单原子催化剂,工艺简单,金属原子在载体上分散均匀,重复性好,适用的酸范围广,产物为六棱柱形或球形纳米颗粒,因此孔分布均匀,催化性能极佳,可大规模生产。

Description

一种以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法
技术领域
本发明属于单原子催化剂制备技术领域,具体涉及一种以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法。
背景技术
在化工生产过程中,开发高效的催化剂是主要的研究内容之一。负载型金属催化剂由于具有优良的催化性能,如高活性、高选择性或二者兼顾,因此广泛应用于许多重要的工业催化反应中。通常,负载型催化剂的活性中心仅限于其表面裸露的部分原子,而大量的体相原子不能接触反应分子,因此活性组分在载体上的尺寸大小与催化性能密切相关。在一些催化剂制备工艺中,为了避免催化剂活性组分的浪费,通过选择高比表面积的载体使金属团簇活性组分尽可能均匀分布于载体表面,以高度分散的纳米团簇形式存在,充分利用催化活性组分,进而提高了催化剂的金属原子利用率。为了使负载型金属催化剂上每个金属原子的催化效果达到最佳,研究者不断减小活性金属的颗粒尺寸。最新的实验和理论研究发现,亚纳米团簇比纳米级粒子具有更好的催化活性或选择性。从理论上讲,负载型金属催化剂分散的极限是金属以单原子的形式均匀分布在载体上,这不仅是负载型金属催化剂的理想状态,而且也将催化科学带入到一个更小的研究尺度——原子层次催化。但是,在实际的催化剂制备过程中,当金属粒子减小到单原子水平时,比表面积急剧增大,导致金属表面自由能急剧增加,在制备和反应时极易发生团聚耦合形成大的团簇,从而导致催化剂失活,这是制备单原子催化剂所面临的巨大挑战。大连化物所张涛课题组在对高分散度催化剂进行长期研究的基础上,首次采用共沉淀法制备出单原子催化剂Pt1/FeOx和Ir1/FeOx。湖南大学的刘志刚课题组通过将金属卟啉分散到二氧化硅微球上,然后进行焙烧,得到了单原子分布的钴催化剂(如中国专利201310006133.5)。由于目前关于单原子催化剂的制备方法极为有限,尚不能大规模生产,而且工艺较为苛刻和复杂。
单原子催化剂的成功制备将催化领域研究的深入到更小的尺度范围,不仅可以从原子层次认识复杂的多相催化反应,而且由于其优越的催化性能在工业催化中具有巨大的应用潜能。一旦单原子催化剂能够最终实现,将在工业催化领域产生巨大的经济效益。
发明内容
针对上述方法中工艺条件苛刻的问题和单原子催化剂制备方法不足的问题,本发明提供了一种以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法,该方法利用溶剂挥发诱导自组装技术将金属前驱体与载体均匀分散,本发明的上述目的是通过以下的技术路线和措施来实现的:
一种以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)将一定量的P123软模板剂溶于乙醇中,室温下搅拌15~60分钟使其完全溶解,以保证模板剂在乙醇中均匀分布;
(2)待P123完全溶解后,向溶液中滴加一定量的浓硫酸和浓盐酸,并充分搅拌使其混合均匀;
(3)向上述其溶液中滴加一定量的钛酸异丙酯,并在室温下搅拌4~8小时;
(4)向上述溶液中加入一定量的氯钯酸溶液,先超声分散30分钟,然后在室温下搅拌8小时;
(5)将上述溶液转至培养皿中,放置通风厨中静置直到溶剂挥发完毕,然后将其放入干燥箱中在100℃下干燥12~24小时;
(6)将第四步所得的固体转至干锅中,并在程序升温的马弗炉中以10℃/min的升温速率从室温升至350℃并在该温度下保持1~2小时,然后再以10℃/min的升温速率升温至450℃并在该温度下保持4~8小时;
(4)冷却至室温后,将其放入管式炉中以10℃/min的升温速率从室温升至350℃通H2/N2混合气进行还原,最后就可得到钯单原子的催化剂。
本发明提出的一种以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法,其特点在于:制备过程相对简单,反应条件温和,所制备的钯单原子的催化剂对烯烃的选择性加氢具有较好的效果。
附图说明
图1为利用本发明所述方法制备的钯单原子催化剂的X射线衍射(XRD)谱图。
图2为利用本发明所述方法制备的钯单原子催化剂的测定的平均孔径谱图。
图3为利用本发明所述方法制备的钯单原子催化剂的透射电镜(TEM)照片。
图4为利用本发明所述方法制备的钯单原子催化剂的透射电镜mapping谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明,但本发明的内容并不只限定在所述实施例。
实施例1
本实施例所述以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法具体包括以下步骤:
(1)将1.0g的P123溶于30g的乙醇溶剂中,室温下搅拌30分钟使其完全溶解;
(2)待P123完全溶解后,向溶液中滴加0.55g浓硫酸(96%)和1.5g浓盐酸(32%),并充分搅拌使其混合均匀;
(3)向上述其溶液中滴加3.6g钛酸异丙酯,并在室温下搅拌6小时;
(4)向上述溶液中加入2ml氯钯酸溶液(0.01mol/L),先超声分散30分钟,然后在室温下搅拌8小时
(5)将上述溶液转至培养皿中,放置在通风厨中静置直48小时直到溶剂挥发完,然后将其放入干燥箱中在100℃下干燥12小时;
(6)将第四步所得的固体转至干锅中,并在程序升温的马弗炉中以10℃/min的升温速率从室温升至350℃并在该温度下保持1小时,然后再以10℃/min的升温速率升温至450℃并在该温度下保持6小时;
(7)冷却至室温后,将其放入管式炉中并通入5%的H2/N2混合气,以10℃/min的升温速率从室温升至350℃并在该温度下保持1小时进行还原,最后就可得到钯单原子的催化剂0.2wt%Pd@TiO2
实施例2
本实施例所述以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法具体包括以下步骤:
(1)将1.0g的P123溶于30g的乙醇溶剂中,室温下搅拌30分钟使其完全溶解;
(2)待P123完全溶解后,向溶液中滴加0.55g浓硫酸(96%)和1.5g浓盐酸(32%),并充分搅拌使其混合均匀;
(3)向上述其溶液中滴加钛酸异丙酯,并在室温下搅拌3小时;
(4)向上述溶液中加入4ml氯钯酸溶液(0.01mol/L),先超声分散30分钟,然后在室温下搅拌8小时;
(5)将上述溶液转至培养皿中,放置通风厨中静置直到溶剂挥发完毕,然后将其放入干燥箱中在100℃下干燥24小时;
(6)将第四步所得的固体转至干锅中,并在程序升温的马弗炉中以5℃/min的升温速率从室温升至350℃并在该温度下保持1~2小时,然后再以5℃/min的升温速率升温至450℃并在该温度下保持6小时;
(7)冷却至室温后,将其放入管式炉中以5℃/min的升温速率从室温升至350℃并在该温度下保持1~2小时通H2/N2混合气进行还原,最后就可得到钯单原子的催化剂0.5wt%Pd@TiO2
实施例3
本实施例所述以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法具体包括以下步骤:
(1)将2.0g的P123溶于50g的乙醇溶剂中,室温下搅拌30分钟使其完全溶解;
(2)待P123完全溶解后,向溶液中滴加1.0g浓硫酸(96%)和2.0g浓硝酸(67%),并充分搅拌使其混合均匀;
(3)向上述其溶液中滴加3.6g钛酸异丙酯,并在室温下搅拌6小时;
(4)向上述溶液中加入15ml氯钯酸溶液(0.01mol/L),先超声分散30分钟,然后在室温下搅拌8小时;
(5)将上述溶液转至培养皿中,放置在通风厨中静置直72小时直到溶剂挥发完,然后将其放入干燥箱中在100℃下干燥12小时;
(6)将第四步所得的固体转至干锅中,并在程序升温的马弗炉中以2℃/min的升温速率从室温升至350℃并在该温度下保持1小时,然后再以2℃/min的升温速率升温至450℃并在该温度下保持6小时;
(7)冷却至室温后,将其放入管式炉中并通入5%的H2/N2混合气,以2℃/min的升温速率从室温升至350℃并在该温度下保持1小时进行还原,最后就可得到钯单原子的催化剂1.5wt%Pd@TiO2

Claims (10)

1.一种以介孔二氧化钛为载体的单原子催化剂制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)将一定量的P123软模板剂溶于乙醇中,室温下搅拌15~60分钟使其完全溶解,以保证模板剂在乙醇中均匀分布;
(2)待P123完全溶解后,向溶液中滴加一定量的浓硫酸和浓盐酸,并充分搅拌使其混合均匀;
(3)向上述其溶液中滴加一定量的钛酸异丙酯,并在室温下搅拌4~8小时;
(4)向上述溶液中加入一定量的氯钯酸溶液,先超声分散30分钟,然后在室温下搅拌8小时;
(5)将上述溶液转至培养皿中,放置通风厨中静置直到溶剂挥发完毕,然后将其放入干燥箱中在100℃下干燥12~24小时;
(6)将第四步所得的固体转至干锅中,并在程序升温的马弗炉中以10℃/min的升温速率从室温升至350℃并在该温度下保持1~2小时,然后再以10℃/min的升温速率升温至450℃并在该温度下保持4~8小时;
(7)冷却至室温后,将其放入管式炉中以10℃/min的升温速率从室温升至350℃通H2/N2混合气进行还原,最后就可得到钯单原子的催化剂。
2.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的软模板剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物,其分子式为:PEOx-PPO y-PEOz,P123、F127、F108中的一种或几种,模板剂的用量为0.5~4.0g。
3.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的溶剂为水、醇类、丙酮、乙腈中的一种或几种,溶剂的用量为模板剂用量的10~50倍。
4.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中的酸为浓硫酸、浓盐酸、浓硝酸、浓磷酸中的一种或几种,酸的用量为模板剂用量的1~5倍。
5.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中的钛前驱体为钛酸四正丙酯、钛酸异丙酯、钛酸四丁酯中的一种或几种,钛前驱体的用量为2~6g。
6.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中的贵金属前驱体为氯钯酸、氯铂酸、氯金酸、氯化钌、氯铱酸中的一种或几种,其浓度为0.001~0.5mol/L,超声分散的时间为1~60分钟,室温搅拌的时间为4~12小时。
7.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(5)中溶剂的挥发速率控制在1~3天内挥发完毕,温度控制在20~50℃。
8.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(6)中马弗炉中通入空气或氧气,程序升温速率控制在1~20℃/min范围内,第一阶段的温度为室温,第二阶段的温度为250~350℃,第二阶段保留时间为0.5~2小时,第三阶段的温度为400~800℃,第三阶段的时间保持4~10小时。
9.根据权利要求1所述的单原子催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(6)中管式炉中的程序升温速率控制在1~20℃/min范围内,终止温度控制在250~400℃,时间保持0.5~2小时,H2/N2混合气的浓度为2~60%,还原时间为0.5~3小时。
10.根据权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的单原子催化剂。所述的单原子催化剂,其特征在于:所述催化剂颗粒片状、颗粒状或六棱柱,所形成的介孔平均直径在5~15nm。
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