一种单原子催化剂及其制备方法和应用

本申请涉及一种单原子催化剂及其制备方法和应用，属于催化剂材料制备和环保领域。

背景技术：

1、钢铁行业的烧结烟气与焦炉烟气中含有大量的nox，nox的脱除可以利用烟气中co进行催化还原，制备高活性，高选择性和优越稳定性的co-scr催化剂具有重要意义。

2、近年来，单原子结构催化剂为催化领域的研究热点，这是由于单原子催化剂能够实现最大限度的原子利用率，极大地降低成本，且单原子催化剂中每个独立的金属原子活性位点都可以与载体相互作用。目前，co-scr单原子催化剂大部分均为贵金属单原子催化剂，如专利cn202211379214.5提出了一种用于co还原no的单原子团簇型贵金属整体式丝网催化剂等相关研究内容。相较于价格昂贵的贵金属，过渡金属具有廉价易得，多价态等特点，但是现阶段过渡金属单原子催化剂常用作电催化研究，且制备过程相对繁琐复杂。专利cn202310121584.7中提出了一种铜基单原子催化剂及其制备方法，将铜盐，苯二胺按步骤溶解氧乙二醇水溶液中，搅拌后静置、洗涤、真空冷冻干燥，得到铜基单原子催化剂。专利cn202210553152.9中提出了一种含铁单原子催化剂及其应用，先将3-氨基酚和六亚甲基四胺分散在水中制备酚醛树脂球，加入铁盐溶液搅拌后离心，沉淀冻干，碳化，得到的含铁单原子催化剂用于锌空电池中。因此，借鉴单原子催化剂的优点，研究一种co-scr单原子催化剂，有利于提高催化活性，选择性和稳定性。

技术实现思路

1、根据本申请的一个方面，提供了一种单原子催化剂，所述单原子催化剂包括载体和负载于载体表面的单原子活性组分；

2、所述单原子活性组分选自铜、铁、锰中的至少一种；

3、所述载体为氧化铝和氧化铈的复合氧化物。

4、所述单原子催化剂中，所述单原子活性组分的摩尔量与载体中铝元素的摩尔量、铈元素的摩尔量之比为1：(0.01～0.5)：(0.05～0.2)。

5、单原子活性组分能够与ceo2中的氧空穴相互作用，提高催化剂在co-scr中的活性，选择性和稳定性。

6、所述单原子催化剂的比表面积为180～320m2/g。

7、根据本申请的另一个方面，提供一种上述的单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

8、将含有单原子活性组分前驱体、铝盐、铈盐的溶剂溶液，于密闭容器中，晶化，干燥，焙烧，得到所述单原子催化剂。

9、所述单原子活性组分前驱体选自铜元素的硝酸盐、硫酸盐、盐酸盐中的至少一种、铁元素的硝酸盐、硫酸盐、盐酸盐中的至少一种、锰元素的硝酸盐、硫酸盐、盐酸盐中的至少一种；

10、所述铝盐选自硝酸铝、硫酸铝、氯化铝中的至少一种；

11、所述铈盐选自硝酸铈、碳酸铈、氯化铈中的至少一种；

12、所述溶剂选自水、乙二醇中的至少一种；

13、所述含有单原子活性组分前驱体、铝盐、铈盐的溶剂溶液中，

14、所述单原子活性组分前驱体的含量为0.1～15wt.％；

15、所述铝盐的含量为0.1～30wt.％；

16、所述铈盐的含量为55～99.8wt.％。

17、所述晶化的温度为25～180℃；

18、所述晶化的时间为1～12h。

19、所述干燥的温度为60～120℃；

20、所述干燥的时间为4～24h；

21、所述焙烧的温度为400～600℃；

22、所述焙烧的时间为3～6h。

23、所述含有单原子活性组分前驱体、铝盐、铈盐的溶剂溶液中还含有助剂；

24、所述助剂选自碳酸氢铵、苯甲酸、十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种；

25、所述含有单原子活性组分前驱体、铝盐、铈盐的溶剂溶液中，所述助剂的含量为0.01～2wt％。

26、所述含有单原子活性组分前驱体、铝盐、铈盐的溶剂溶液的ph＞10。

27、具体地，技术方案如下：

28、(1)金属盐溶液a的配制：将铝盐，铈盐和过渡金属盐溶解在溶剂中。

29、(2)碱溶液b的配制：将碱溶解在去离子水中，得到碱液。

30、(3)金属氧化物前驱体溶液c的制备：先将助剂加入溶液a中，再加入溶液b调节ph值>10，持续搅拌0.5～4h。

31、(4)将溶液c转移到水热反应釜中，静置晶化后，经过洗涤，过滤后，60～120℃干燥4～24h，400～600℃焙烧3～6h，得到单原子催化剂。

32、碱液为氨水溶液(6～12mol/l)，naoh溶液(1～10mol/l)，尿素溶液(1～8mol/l)。

33、溶液b的滴加速率为0.1～10ml/min。

34、根据本申请的另一个方面，提供一种co催化还原氮氧化物的方法，包括以下步骤：

35、将含有co和氮氧化物的原料气与催化剂接触，反应，脱除其中的氮氧化物；

36、所述催化剂选自权利要求1或2任一项所述的单原子催化剂。

37、所述原料气中，co的体积含量为0.05～1％，氮氧化物的体积含量为0.01～0.1％；

38、所述原料气的空速为10000～50000h-1；

39、所述反应的温度为50～500℃。

40、150℃左右no的脱除率几乎达到100％，n2选择性可以达到100％，反应窗口温度为150～500℃。

41、300℃下保持1000h后，no脱除率仍然能够保持95％以上。

42、本申请能产生的有益效果包括：

43、1)本发明中单原子催化剂的制备方法简单，未使用昂贵药剂，也未添加任何有毒助剂，低价环保。

44、2)本发明制备的单原子催化剂，150℃左右no的脱除率几乎达到100％，n2选择性可以达到100％，反应窗口温度为150～500℃。300℃下保持1000h后，no脱除率仍然能够保持95％以上。

45、3)本发明制备的单原子催化剂中，单原子结构与ceo2中的氧空位存在协同作用。

技术特征：

1.一种单原子催化剂，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的单原子催化剂，其特征在于，

3.一种权利要求1或2任一项所述的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，

9.一种co催化还原氮氧化物的方法，其特征在于，

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

技术总结
本申请公开了一种单原子催化剂及其制备方法和应用。所述单原子催化剂包括载体和负载于载体表面的单原子活性组分；单原子活性组分选自铜、铁、锰中的至少一种；载体为氧化铝和氧化铈的复合氧化物。制备方法简单，未使用昂贵药剂，也未添加任何有毒助剂，低价环保。150℃左右NO的脱除率几乎达到100％，N<subgt;2</subgt;选择性可以达到100％，反应窗口温度为150～500℃。300℃下保持1000h后，NO脱除率仍然能够保持95％以上。单原子结构与CeO<subgt;2</subgt;中的氧空位存在协同作用。

技术研发人员：王胜,百玉婷,王树东,宗绪鹏
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15