一种碳包覆贵金属单原子负载催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于催化剂制备，涉及一种碳包覆贵金属单原子负载催化剂及其制备方法和应用，尤其涉及一种碳包覆贵金属单原子负载催化剂、其制备方法以及在顺酐加氢制备丁二酸酐中的应用。

背景技术：

1、贵金属催化剂作为一类高活性的催化剂，常见的贵金属包括铂、钯、铑、银、钌等，尤以铂、铑应用最为广泛，由于贵金属元素的d电子轨道未填满，表面易吸附反应物，有利于形成中间活性化合物，因而具有较高的催化活性，及耐高温、抗氧化、耐腐蚀等综合优良特性，能够广泛应用在加氢、脱氢、氧化、还原、异构化、芳构化、裂化、合成等反应，是催化反应中重要的催化剂材料之一。贵金属催化剂的主要缺点在于价格昂贵，制备成本高，因而限制其广泛应用。因而需要针对贵金属催化剂及其制备工艺进行研究，主要集中在提高贵金属催化剂的原子利用率，制备单原子层，纳米簇等小尺寸催化剂。

2、碳材料作为常见的催化剂载体，可称为碳基载体，包括碳纳米球、纳米碳纤维、石墨烯、金属有机框架衍生碳、共价三嗪框架、氮化碳和酞菁衍生碳等，碳基载体具有价格低廉、结构多样、稳定性优异、电导性良好等性能，被广泛用作单原子催化剂的载体物质。碳基载体使用时，金属原子和碳原子之间存在强烈的界面相互作用，改变金属原子的电荷密度和电子结构，促进形成额外的活性位点。

3、丁二酸酐是一种用途广泛的有机中间体和精细化工原料，主要应用于食品、表面活性剂、涂料、医药、农业、塑料等领域，其进一步制备的丁二酸丁二醇酯(pbs)具有优异的机械性能和可生物降解性，市场对丁二酸酐的需求量逐年增加，已引起广泛关注。顺酐加氢法是以顺酐为原料釆用直接加氢的方法制备丁二酸酐，该方法具有流程简单、操作方便、设备利用率高、运行成本低以及产品纯度高的优点，是目前高效的生产丁二酸酐的主流工艺，该反应产品收率的提高可从提高催化剂活性以及选择性方面着手，可对目前常用的贵金属催化剂进行改进。

4、cn 115805074a公开了一种碳包覆的负载型铂族单原子贵金属催化剂及其制备方法与应用，该方法包括：将铂族贵金属盐溶液加入氧化铈载体溶液，得到氧化铈负载原子级铂族单原子贵金属催化剂；将氧化铈负载原子级铂族单原子贵金属催化剂分散于溶剂，调节分散液ph至7-9，加入儿茶酚胺进行反应，后经热处理，得到所述碳包覆的负载型铂族单原子贵金属催化剂。该催化剂是以稀土金属氧化物作为贵金属的载体，与碳材料属于不同种类，两者结合的方式以及植被工艺不同，且该催化剂用于催化co氧化反应，属于无机反应，与顺酐加氢的有机反应不同。

5、cn 116240556a公开了一种石墨烯包覆非贵金属负载贵金属单原子催化剂的制备方法及应用，该催化剂制备时先采用水热法将非贵金属盐前驱体转化为层状非贵金属氧化物，之后在还原气氛下进行高温脱氧，得到金属单质或合金，在脱氧温度下通入碳源形成石墨烯层，酸洗、洗涤后得到石墨烯包覆非贵金属载体，再将贵金属原子负载到载体上，得到所述催化剂；该催化剂是以石墨烯包覆的非贵金属作为载体，与碳材料整体包覆贵金属和载体的催化剂属于不同的种类和结构组成，制备工艺并不相同，可用于的催化反应也会不同。

6、综上所述，对于碳包覆贵金属单原子负载催化剂的制备，还需要根据催化剂的结构和组成，选择合适的制备工艺，以制备得到高原子利用率的催化剂，保证催化活性的基础上降低催化剂成本。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种碳包覆贵金属单原子负载催化剂及其制备方法和应用，所述方法以碳纳米管为载体，以贵金属前驱体为原料，再以碳源为包覆材料，采用两步溶剂热的方法制备碳包覆贵金属单原子负载催化剂，贵金属单原子分散均匀，且被碳包覆，避免过度损失与团聚；贵金属单原子与碳载体之间的相互作用还可增强催化活性，提高选择性和稳定性。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种碳包覆贵金属单原子负载催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

4、(1)将碳纳米管溶液与贵金属前驱体、结构导向剂、ph调节剂混合，经一次溶剂热反应，得到碳纳米管上原位负载的贵金属单原子前驱体；

5、(2)将步骤(1)得到的碳纳米管上原位负载的贵金属单原子前驱体与碳源混合后置于溶剂中，经二次溶剂热反应，得到有机碳包覆的贵金属单原子负载催化剂；

6、(3)将步骤(2)得到的有机碳包覆的贵金属单原子负载催化剂在还原性气氛中反应，得到碳包覆贵金属单原子负载催化剂。

7、本发明中，对于贵金属负载型催化剂的制备，以碳纳米管为载体，通过贵金属前驱体、结构导向剂等原料的使用，采用溶剂热的方法制备得到具有大比表面积、独特结构的稳定负载产物，贵金属单原子在碳纳米管上分散均匀，再采用碳源经溶解热以及还原反应进行碳包覆，得到碳包覆贵金属单原子负载催化剂，碳包覆后可避免后续反应中贵金属的过度损失和团聚；同时，贵金属单原子和碳纳米管载体之间的相互作用可提高催化剂的催化活性和选择性，耐久性较强，从而提高催化剂的使用寿命；所述方法工艺简单，可降低贵金属的使用量，从而降低生产成本，适于大规模生产。

8、以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

9、作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述碳纳米管溶液由碳纳米管分散于溶剂中得到。

10、优选地，所述碳纳米管包括多壁碳纳米管。

11、优选地，所述溶剂包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇或二甘醇中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：水和乙醇的组合，乙醇和乙二醇的组合，水、甲醇和乙醇的组合，乙醇、乙二醇和丙三醇的组合等。

12、优选地，步骤(1)所述碳纳米管溶液中碳纳米管和溶剂的质量比为1:(60～200)，例如1:60、1:80、1:100、1:120、1:140、1:160、1:180或1:200等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

13、作为本发明优选的技术方案，所述碳纳米管加入溶剂形成碳纳米管溶液之前先进行预处理。

14、优选地，所述预处理的方式为酸化，具体包括：将碳纳米管分散于酸性溶液中，加热蒸发后冷凝回流，再经洗涤、干燥，得到酸化碳纳米管。

15、优选地，所述酸性溶液包括硫酸、盐酸、硝酸、草酸、次氯酸或醋酸中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：硫酸和盐酸的组合，盐酸和硝酸的组合，盐酸、硝酸和草酸的组合，硫酸、盐酸、次氯酸和醋酸的组合等。

16、优选地，所述酸性溶液的质量分数为5～30wt％，例如5wt％、10wt％、15wt％、20wt％、25wt％或30wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

17、优选地，所述酸性溶液的溶剂包括水、乙醇、乙二醇、丙三醇或二甘醇中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：水和乙醇的组合，乙醇和乙二醇的组合，水、乙醇和丙三醇的组合，乙醇、乙二醇和丙三醇的组合等。

18、优选地，所述碳纳米管与酸性溶液的质量比为1:(10～60)，例如1:10、1:20、1:30、1:40、1:50或1:60等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

19、本发明中，所述碳纳米管经过酸化，可以将表面的缺陷及极性位点进行活化，有助于贵金属的负载以及两者之间相互作用的增强。

20、优选地，所述加热蒸发的温度为80～160℃，例如80℃、100℃、120℃、140℃、150℃或160℃等，但并不仅限于所列举的数值该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

21、优选地，所述冷凝回流持续的时间为0.5～2h，例如0.5h、0.75h、1h、1.25h、1.5h、1.75h或2h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

22、优选地，所述洗涤的终点为将碳纳米管洗涤至中性。

23、优选地，所述干燥的温度为60～80℃，例如60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；干燥的时间为2～16h，例如2h、4h、6h、8h、10h、12h、14h或16h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

24、作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述贵金属前驱体包括贵金属的氯酸盐、贵金属的硝酸盐、贵金属的氯化盐或贵金属的有机化合物中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：贵金属的氯酸盐和贵金属的硝酸盐的组合，贵金属的硝酸盐和贵金属的氯化盐的组合，贵金属的氯化盐和贵金属的有机化合物的组合，贵金属的氯酸盐、贵金属的硝酸盐和贵金属的氯化盐的组合等。

25、优选地，所述贵金属包括铂、钯、铑、银或钌中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：铂和钯的组合，铑和银的组合，铂、钯和铑的组合，铂、铑和钌的组合等，优选为铂。

26、优选地，所述贵金属前驱体包括氯铂酸、硝酸铂、氯化铂、乙酰丙酮铂或三甲基(甲基环戊二烯基)铂中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：氯铂酸和硝酸铂的组合，硝酸铂和氯化铂的组合，乙酰丙酮铂和三甲基(甲基环戊二烯基)铂的组合，硝酸铂、氯化铂和乙酰丙酮铂的组合等。

27、优选地，步骤(1)所述结构导向剂包括十六烷基三甲基溴化铵、乙二胺、三乙胺或十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：十六烷基三甲基溴化铵和乙二胺的组合，乙二胺和三乙胺的组合，十六烷基三甲基溴化铵和十二烷基苯磺酸钠的组合，十六烷基三甲基溴化铵、乙二胺和三乙胺的组合等。

28、优选地，步骤(1)所述ph调节剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨基钠、氨水、季胺碱、尿素、三乙醇胺、碳酸钠或碳酸氢钠中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：氢氧化钠和氢氧化钾的组合，氨基钠和氨水的组合，尿素和三乙醇胺的组合，氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠的组合，氨水、季胺碱和尿素的组合等。

29、优选地，步骤(1)所述碳纳米管、贵金属前驱体和结构导向剂的质量比为1:(0.01～5):(0～1.2)，例如1:0.01:0.01、1:0.1:0.05、1:1:0.1、1:2:0.3、1:3:0.5、1:4:0.8、1:5:1、1:0.05:0.6或1:0.5:1.2等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

30、优选地，步骤(1)所述混合后，溶液的ph值为8～9，例如8、8.2、8.5、8.8或9等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

31、优选地，步骤(1)所述一次溶剂热反应的温度为80～220℃，例如80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、180℃、200℃或220℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

32、优选地，步骤(1)所述一次溶剂热反应的时间为0.5～36h，例如0.5h、1h、2h、5h、10h、15h、20h、24h、28h、32h或36h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

33、优选地，所述一次溶剂热反应结束后冷却，依次经固液分离、洗涤、干燥，得到碳纳米管上原位负载的贵金属单原子前驱体。

34、作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述碳源包括葡萄糖、多巴胺、吡咯或酚醛树脂中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：葡萄糖和多巴胺的组合，多巴胺和吡咯的组合，吡咯和酚醛树脂的组合，葡萄糖、多巴胺和吡咯的组合，多巴胺、吡咯和酚醛树脂的组合等。

35、优选地，步骤(2)所述贵金属单原子前驱体与碳源的质量比为1:(0.2～2)，例如1:0.2、1:0.4、1:0.6、1:0.8、1:1、1:1.2、1:1.5、1:1.8或1:2等，但并不仅限于所列举的数值该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

36、优选地，步骤(2)所述溶剂包括水、甲醇、乙醇或乙二醇中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：水和甲醇的组合，甲醇和乙醇的组合，乙醇和乙二醇的组合，甲醇、乙醇和乙二醇的组合等。

37、优选地，步骤(2)所述贵金属单原子前驱体与碳源的总质量与溶剂质量的比例为1:(50～180)，例如1:50、1:60、1:80、1:100、1:120、1:140、1:160或1:180等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

38、作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述二次溶剂热反应的温度为100～200℃，例如100℃、120℃、140℃、150℃、160℃、180℃或200℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

39、优选地，步骤(2)所述二次溶剂热反应的时间为2～48h，例如2h、6h、12h、18h、24h、30h、36h、42h或48h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

40、优选地，步骤(2)所述二次溶剂热反应结束后冷却，依次经固液分离、洗涤、干燥，得到有机碳包覆的贵金属单原子负载催化剂。

41、作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述还原性气氛包括氢气、氢气与惰性气体混合气或氨气中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：氢气和氢气与惰性气体混合气的组合，氢气和氨气的组合，氢气、氢气与惰性气体混合气和氨气的组合等；其中惰性气体包括氦气、氖气或氩气等。

42、优选地，步骤(3)所述反应的温度为300～550℃，例如300℃、350℃、400℃、450℃、500℃或550℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

43、优选地，步骤(3)所述反应的时间为3～8h，例如3h、4h、5h、6h、7h或8h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

44、优选地，步骤(3)所述反应的升温速率为2～5℃/min，例如2℃/min、2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min、4℃/min、4.5℃/min或5℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

45、优选地，步骤(3)所述反应保温结束后通入保护性气氛，自然降温，得到碳包覆贵金属单原子负载催化剂。

46、作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：

47、(1)将碳纳米管溶液与贵金属前驱体、结构导向剂、ph调节剂混合，所述碳纳米管溶液由碳纳米管分散于溶剂中得到，所述溶剂包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇或二甘醇中的任意一种或至少两种的组合，所述碳纳米管溶液中碳纳米管和溶剂的质量比为1:(60～200)，所述贵金属前驱体包括贵金属的氯酸盐、贵金属的硝酸盐、贵金属的氯化盐或贵金属的有机化合物中的任意一种或至少两种的组合，所述结构导向剂包括十六烷基三甲基溴化铵、乙二胺、三乙胺或十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或至少两种的组合，所述ph调节剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨基钠、氨水、季胺碱、尿素、三乙醇胺、碳酸钠或碳酸氢钠中的任意一种或至少两种的组合，所述碳纳米管、贵金属前驱体和结构导向剂的质量比为1:(0.01～5):(0～1.2)，混合后溶液的ph值为8～9，经一次溶剂热反应，所述一次溶剂热反应的温度为80～220℃，时间为0.5～36h，反应结束后冷却，依次经固液分离、洗涤、干燥，得到碳纳米管上原位负载的贵金属单原子前驱体；

48、其中，所述碳纳米管加入溶剂形成碳纳米管溶液之前先进行预处理，所述预处理的方式为酸化，具体包括：将碳纳米管分散于酸性溶液中，所述酸性溶液包括硫酸、盐酸、硝酸、草酸、次氯酸或醋酸中的任意一种或至少两种的组合，所述酸性溶液的质量分数为5～30wt％，碳纳米管与酸性溶液的质量比为1:(10～60)，加热蒸发后冷凝回流，所述加热蒸发的温度为80～160℃，冷凝回流持续的时间为0.5～2h，再经洗涤、干燥，所述洗涤的终点为将碳纳米管洗涤至中性，所述干燥的温度为60～80℃，干燥的时间为2～16h，得到酸化碳纳米管；

49、(2)将步骤(1)得到的碳纳米管上原位负载的贵金属单原子前驱体与碳源混合后置于溶剂中，所述碳源包括葡萄糖、多巴胺、吡咯或酚醛树脂中的任意一种或至少两种的组合，所述贵金属单原子前驱体与碳源的质量比为1:(0.2～2)，所述溶剂包括水、甲醇、乙醇或乙二醇中的任意一种或至少两种的组合，所述贵金属单原子前驱体与碳源的总质量与溶剂质量的比例为1:(50～180)，经二次溶剂热反应，所述二次溶剂热反应的温度为100～200℃，时间为2～48h，反应结束后冷却，依次经固液分离、洗涤、干燥，得到有机碳包覆的贵金属单原子负载催化剂；

50、(3)将步骤(2)得到的有机碳碳包覆贵金属单原子负载催化剂在还原性气氛中反应，所述还原性气氛包括氢气、氢气与惰性气体混合气或氨气中的任意一种或至少两种的组合，所述反应的温度为300～550℃，时间为3～8h，升温速率为2～5℃/min，反应保温结束后通入保护性气氛，自然降温，得到碳包覆贵金属单原子负载催化剂。

51、第二方面，本发明提供了一种采用上述制备方法得到的碳包覆贵金属单原子负载催化剂。

52、第三方面，本发明提供了一种上述碳包覆贵金属单原子负载催化剂的应用，所述催化剂用于顺酐加氢制备丁二酸酐的反应。

53、本发明中，贵金属催化剂优异的选择性及催化活性是催化加氢反应的最佳选择，本发明通过对贵金属催化剂的改进，将其用于顺酐加氢制备丁二酸酐，可以实现超高的金属原子利用率，增强了金属原子中心的催化活性、选择性和耐久性，其催化活性的高低与活性金属的分散性、载体的相互作用力以及表面化学状态有关。

54、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

55、(1)本发明所述方法以碳纳米管为载体，以贵金属前驱体、结构导向剂等为原料，再以碳源为包覆材料，采用两步溶剂热的方法制备碳包覆贵金属单原子负载催化剂，贵金属单原子具有独特的量子尺寸，在碳纳米管上分散均匀，两者之间可形成低配位环境，其相互作用可增强催化活性，提高选择性和稳定性；经过碳包覆可避免后续反应中的过度损失与团聚；

56、(2)本发明所述方法工艺简单，可降低贵金属的使用量，从而降低生产成本，适于大规模生产。