水滑石层间阴离子为还原剂原位负载贵金属纳米颗粒

研究了以水滑石为载体原位负载贵金属纳米颗粒(Pd、Ag、Ru、Au)的方法,通过共沉淀合成甲酸根水滑石,以层间甲酸根为还原剂原位还原贵金属前驱体制得高分散水滑石(LDH)负载纳米颗粒。本方法无需载体预处理,操作方便、适用性强,阴离子前驱体(Au)和阳离子前驱体(Pd、Ag、Ru)均可顺利得到纳米颗粒。所得水滑石负载纳米颗粒系一种潜在的纳米催化剂,作为示例,Pd/LDH在Suzuki偶联反应中显示出较高催化活性。     

贵金属负载的棒状ZnO复合光催化剂的制备及其提升的光催化性能

以水热制备的ZnO纳米棒为基底,通过乙二醇液相还原法负载不同贵金属颗粒(Pt、Pd、Ru)构筑贵金属负载的ZnO纳米棒复合光催化剂。实验结果表明在制备条件相同时,Pt/ZnO样品中Pt颗粒尺寸较小,分布均匀;Pd/ZnO样品中Pd颗粒尺寸较大且团聚严重;Ru/ZnO样品则几乎没有Ru颗粒负载。在紫外光照射下降解亚甲基蓝的反应中,Pt/ZnO表现出最高的光催化性能,Pd/ZnO样品次之,而Ru/ZnO则表现出与ZnO纳米棒相似的光催化活性;表明小尺寸和大小均匀的贵金属颗粒对ZnO纳米棒的催化性能有着显著的提升作用。对Pt/ZnO来说,当Pt载量为3.2%时Pt/ZnO催化剂的光催化活性最高。     

高能量超声辅助制备负载型贵金属纳米催化材料

介绍了一种利用高能量超声作用制备负载型纳米催化材料的方法.通过高能量超声作用下发生的还原反应,使原位生成的贵金属或双金属纳米颗粒负载于各种载体的表面,制备了一系列石墨烯基-、碳纳米管基-、金属氧化物(二氧化铈、α-三氧化二铁、二氧化钛)基-负载型贵金属纳米催化材料,并利用光电子能谱、透射电子显微镜、元素分析、电子衍射等方法表征了材料的结构和形貌.结果表明:贵金属纳米颗粒在载体的表面均匀地分布,颗粒的尺寸较小,分布较窄;颗粒的尺寸可以通过金属在载体中的负载量、金属前驱体的浓度和超声强度容易地进行调控.这种方法为负载型贵金属纳米催化剂的制备提供了一种有效的途径.     

水滑石基磁性Co/Al_2O_3催化剂在乙酰丙酸加氢制备γ-戊内酯反应中的应用（英文）

γ-戊内酯广泛应用于食品添加剂、燃料添加剂、溶剂、汽油、柴油以及多种化工中间体的合成,由于其上游原料乙酰丙酸是重要的生物质基平台化合物已实现了工业化生产,因此发展其高效、可循环使用的催化合成新体系是近年来生物质催化转化的研究热点之一.目前使用的多相催化剂体系主要是浸渍法制备的负载型金属纳米颗粒催化剂,活性金属主要有Ru,Pd,Pt,Au,Cu,Ni等.由于乙酰丙酸制备γ-戊内酯反应是一个酸性的含水体系,在高温、高压条件下,使用浸渍法得到的催化剂特别是非贵金属催化剂容易发生活性金属的聚集、流失,从而使得催化剂重复使用的效果不佳.从非贵金属替代贵金属和提高催化剂稳定性这两点入手,本论文以水滑石为合成催化剂的单一前驱体,将非贵金属(Cu,Ni,Fe,Co)掺入到水滑石的结构骨架中,通过直接氢气焙烧还原制得了高负载量的负载型金属纳米颗粒多相催化剂.将制得的催化剂应用于乙酰丙酸加氢反应,其催化活性顺序为:CoNiCuFe.制备出了5种不同Co/Al比的Co基催化剂,其中4Co/Al2O3催化剂在H2(5 MPa)、180 oC条件下,显示出了类似贵金属钌催化剂的活性和选择性,乙酰丙酸在3 h内完全转化,γ-戊内酯的选择性高达99%.为了进一步了解催化剂的结构与其活性和稳定性之间的关系,我们采用X射线粉末衍射仪(XRD),氢气程序升温还原(H2-TPR),X射线光电子能谱(XPS),透射电子显微镜(TEM)等表征手段研究了催化剂的形貌和结构.TEM结果表明,以水滑石为前驱体制备的Co催化剂中负载的Co纳米颗粒的平均粒径在25–30 nm,而用浸渍法制备的相同负载量的Co催化剂的Co纳米颗粒粒径大于150 nm.相应的催化反应结果表明,前者的催化活性要远好于后者.水滑石前驱体的H2-TPR实验结果表明,随着Co/Al比增加,其还原峰向低温方向位移.这是由于Al含量的减少,导致金属Co离子周围键合的Al离子数量减少,从而使得Co与Al之间的作用力减弱,Co更加容易被还原.表现在还原温度上,即为还原温度降低,说明了Co纳米颗粒与载体之间具有一种强相互作用.结合TEM测试结果,正是这种强相互作用限制了Co纳米颗粒的长大,使其要远小于用浸渍法制得的Co纳米颗粒.HRTEM测试结果显示在4Co/Al2O3催化剂结构中,Co金属纳米颗粒与载体Al2O3之间存在一种核壳结构的关系,Co纳米颗粒被包埋于载体Al2O3中形成核壳结构.这种结构同样也保证了活性金属与载体之间较强的相互作用,有效地避免Co纳米颗粒在强水热、酸性条件下的聚集和流失,从而使该催化剂在循环使用四次时仍能保持优异的活性和选择性.我们进一步研究了该核壳结构形成的原因.发现催化剂在制备过程中如果先用空气高温焙烧,再用氢气还原,得到的催化剂中则没有明显的核壳结构,且Co纳米颗粒粒径在55nm左右.相应的催化反应结果也要差于直接氢气焙烧还原得到的4Co/Al2O3催化剂.这也从侧面说明了以水滑石为前驱体制备负载型金属纳米颗粒催化剂时,其原位的限制效应在控制金属纳米颗粒的大小、稳定性方面的优越性.此外,由于该Co催化剂具有磁性特征,很容易通过磁性回收实现催化剂与反应液的分离,大大简化了催化剂的回收及产物分离过程.     

水滑石基磁性Co/Al2O3催化剂在乙酰丙酸加氢制备γ-戊内酯反应中的应用

γ-戊内酯广泛应用于食品添加剂、燃料添加剂、溶剂、汽油、柴油以及多种化工中间体的合成,由于其上游原料乙酰丙酸是重要的生物质基平台化合物已实现了工业化生产,因此发展其高效、可循环使用的催化合成新体系是近年来生物质催化转化的研究热点之一.目前使用的多相催化剂体系主要是浸渍法制备的负载型金属纳米颗粒催化剂,活性金属主要有Ru, Pd, Pt, Au, Cu, Ni等.由于乙酰丙酸制备γ-戊内酯反应是一个酸性的含水体系,在高温、高压条件下,使用浸渍法得到的催化剂特别是非贵金属催化剂容易发生活性金属的聚集、流失,从而使得催化剂重复使用的效果不佳.从非贵金属替代贵金属和提高催化剂稳定性这两点入手,本论文以水滑石为合成催化剂的单一前驱体,将非贵金属(Cu, Ni, Fe, Co)掺入到水滑石的结构骨架中,通过直接氢气焙烧还原制得了高负载量的负载型金属纳米颗粒多相催化剂.将制得的催化剂应用于乙酰丙酸加氢反应,其催化活性顺序为： Co>Ni>Cu>Fe.制备出了5种不同Co/Al比的Co基催化剂,其中4Co/Al2O3催化剂在H2(5 MPa)、180 oC条件下,显示出了类似贵金属钌催化剂的活性和选择性,乙酰丙酸在3 h内完全转化,γ-戊内酯的选择性高达99%.为了进一步了解催化剂的结构与其活性和稳定性之间的关系,我们采用X射线粉末衍射仪(XRD),氢气程序升温还原(H2-TPR), X射线光电子能谱(XPS),透射电子显微镜(TEM)等表征手段研究了催化剂的形貌和结构. TEM结果表明,以水滑石为前驱体制备的Co催化剂中负载的Co纳米颗粒的平均粒径在25–30 nm,而用浸渍法制备的相同负载量的Co催化剂的Co纳米颗粒粒径大于150 nm.相应的催化反应结果表明,前者的催化活性要远好于后者.水滑石前驱体的H2-TPR实验结果表明,随着Co/Al比增加,其还原峰向低温方向位移.这是由于Al含量的减少,导致金属Co离子周围键合的Al离子数量减少,从而使得Co与Al之间的作用力减弱, Co更加容易被还原.表现在还原温度上,即为还原温度降低,说明了Co纳米颗粒与载体之间具有一种强相互作用.结合TEM测试结果,正是这种强相互作用限制了Co纳米颗粒的长大,使其要远小于用浸渍法制得的Co纳米颗粒. HRTEM测试结果显示在4Co/Al2O3催化剂结构中, Co金属纳米颗粒与载体Al2O3之间存在一种核壳结构的关系, Co纳米颗粒被包埋于载体Al2O3中形成核壳结构.这种结构同样也保证了活性金属与载体之间较强的相互作用,有效地避免Co纳米颗粒在强水热、酸性条件下的聚集和流失,从而使该催化剂在循环使用四次时仍能保持优异的活性和选择性.我们进一步研究了该核壳结构形成的原因.发现催化剂在制备过程中如果先用空气高温焙烧,再用氢气还原,得到的催化剂中则没有明显的核壳结构,且Co纳米颗粒粒径在55 nm左右.相应的催化反应结果也要差于直接氢气焙烧还原得到的4Co/Al2O3催化剂.这也从侧面说明了以水滑石为前驱体制备负载型金属纳米颗粒催化剂时,其原位的限制效应在控制金属纳米颗粒的大小、稳定性方面的优越性.此外,由于该Co催化剂具有磁性特征,很容易通过磁性回收实现催化剂与反应液的分离,大大简化了催化剂的回收及产物分离过程.     

Ru/C催化5-羟甲基糠醛选择氧化高效合成2,5-呋喃二甲醛

在活性炭负载金属钌(Ru/C)催化剂上实现了5-羟甲基糠醛的高效选择氧化.以甲苯为反应溶剂,在383 K和2.0 MPa O₂的反应条件下,2,5-呋喃二甲醛(DFF)收率高达95.8%.与活性炭负载的具有相似粒径的Pt,Rh,Pd,Au等其它贵金属催化剂相比,Ru/C具有更加优良的活性和DFF选择性.同时Ru/C催化剂结构稳定,具有良好的重复使用性能.在相似的反应条件下,采用水代替甲苯作为溶剂,同时添加少量水滑石固体碱,可便捷地将主要产物从DFF调变为5-甲酰基-2-呋喃甲酸或2,5-呋喃二甲酸,显示出Ru/C催化剂在控制5-羟甲基糠醛选择氧化反应产物方面的优异性能.     

水滑石负载 Au 纳米粒子的制备及其催化醇氧化反应

 采用离子交换法和 NaBH4 还原法制备了 Mg-Al-水滑石 (LDH) 负载的 Au 纳米粒子 (Au/LDH) 催化剂. X 射线衍射和透射电镜结果表明, Au 粒子较均匀地分散在水滑石表面, 载体仍保持层状结构. 在温和的反应条件下, Au/LDH 对一系列醇的氧化反应表现出优异的催化性能, 如在室温常压下进行分子 O2 氧化 1-苯基乙醇的反应, 底物转化率和苯乙酮选择性都接近 100%, 而且催化剂经过多次循环使用后, 其活性未见下降. 可见, Au/LDH 催化剂在醇氧化反应中具有良好的应用前景.     

用原位液体池透射电镜技术表征金属钯在球形金纳米颗粒表面的异质沉积

采用原位液体池透射电镜技术,在扫描透射电子显微镜(STEM)中,实时观察溶液中金属钯(Pd)在金(Au)纳米颗粒及团簇周围的异质沉积过程。通过对该动态过程的定量分析,结合高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对样品进行形貌与结构表征,研究异质沉积的机理。结果表明,电子束辐照下Au-Pd异质结构纳米颗粒的形成存在两种主要机制:第一种机制中,Pd在Au纳米颗粒表面的生长是以岛状沉积开始,随着时间推移,出现Pd岛的结构弛豫和沿着Au颗粒表面的迁移扩展。伴随Pd的不断沉积和弛豫,Au-Pd复合颗粒的外接圆直径表现为震荡生长,而Au表面的Pd覆盖率显示出随时间单调增加的趋势。第二种机制中,由于Pd单体在Au纳米颗粒上的沉积位点有限,使部分被还原的Pd在Au颗粒以外区域进行同质形核与生长形成Pd团簇,之后再与Au颗粒上的Pd岛合并。进一步的结果分析显示,Au颗粒外围的Pd沉积体为多晶结构,由随机取向的Pd纳米晶粒构成。     

Mg-Al类水滑石负载金催化醇选择氧化中Mg/Al比例的影响

为研究Mg/Al比例对Mg-Al类水滑石(LDH)负载Au催化醇选择氧化的影响,采用共沉淀—水热晶化法合成了不同Mg/Al比的y Mg-Al LDH,采用液相还原法负载纳米Au颗粒.对样品进行XRD、N_2物理吸附、ICP-AES、AAS、TEM、CO_2-TPD、CO_2-In-situ DRIFTS和XPS等表征.在无附加碱条件下,Au/yMg-Al LDH催化剂催化1-苯乙醇选择氧化的催化活性随Mg/Al比增大呈现递增趋势,Au/4Mg-Al LDH活性最佳.载体表面弱碱性强度随Mg/Al比增大变化不大,弱碱位略有增多,对醇羟基脱氢有促进作用.载体层板Mg_3OH基团随Mg/Al比增大而增多有利于Au在层板边缘沉积,二者可形成有效协同,促进醇氧化过程进行.     

石墨烯衍生物负载的纳米催化剂用于氧还原反应

综述了用于燃料电池中氧还原反应(ORR)的石墨烯衍生物负载的各种纳米催化剂的最新进展。介绍了用于表征石墨烯基电催化剂的常规电化学技术以及石墨烯基电催化剂最新的研究进展。负载于还原氧化石墨烯(RGO)上的Pt催化剂的电化学活性和稳定性均得到显著提高。其它贵金属催化剂,如Pd, Au和Ag也表现出较高的催化活性。当以RGO或少层石墨烯为载体时, Pd催化剂的稳定性提高。讨论了氧化石墨烯负载Au或Ag催化剂的合成方法。另外,以N4螯合络合物形式存在的非贵过渡金属可降低氧的电化学性能。 Fe和Co是可替代的廉价ORR催化剂。在大多数情况下,这些催化剂稳定性和耐受性的问题均可得到解决,但其整体性能还很难超越Pt/C催化剂。     

石墨烯衍生物负载的纳米催化剂用于氧还原反应（英文）

综述了用于燃料电池中氧还原反应(ORR)的石墨烯衍生物负载的各种纳米催化剂的最新进展.介绍了用于表征石墨烯基电催化剂的常规电化学技术以及石墨烯基电催化剂最新的研究进展.负载于还原氧化石墨烯(RGO)上的Pt催化剂的电化学活性和稳定性均得到显著提高.其它贵金属催化剂,如Pd,Au和Ag也表现出较高的催化活性.当以RGO或少层石墨烯为载体时,Pd催化剂的稳定性提高.讨论了氧化石墨烯负载Au或Ag催化剂的合成方法.另外,以N4螯合络合物形式存在的非贵过渡金属可降低氧的电化学性能.Fe和Co是可替代的廉价ORR催化剂.在大多数情况下,这些催化剂稳定性和耐受性的问题均可得到解决,但其整体性能还很难超越Pt/C催化剂.     

单晶硅表面贵金属晶粒层的制备

将预处理过的单晶硅p-Si(100)浸入含贵金属盐的HF溶液, 制备了Ag, Au, Pd和Pt的晶粒层. 用原子力显微镜(AFM)、开路电位(OCP)、循环伏安(CV)和交流阻抗(A. C. Impedance)方法对晶粒层性能进行了考察. 形貌显示, 在浸镀20 s后, Ag和Pd晶粒层基本上覆盖了硅基底, Ag颗粒致密, Pd颗粒之间仍有空隙且晶粒较Ag大. Au晶粒层部分覆盖了基底, 而Pt只有极少数的晶粒. 60 s后, Ag, Pd和Au晶粒层都完全覆盖了基底, 而Pt晶粒仍然较少, 但晶粒有所长大. 循环伏安显示, Pd的溶出峰电流比Ag, Au, Pt高1个数量级. 交流阻抗测量表明, Pd晶粒层阻抗最小. 结果表明, Ag, Pd和Au都能用浸入沉积的方法在单晶硅上短时间内制备出晶粒层, 而Pt不能, 选用哪种晶粒层, 需要根据后续工序和实际需要而定.     

贵金属负载光催化剂在丙炔光催化水解反应中的研究(Ⅲ)

利用三种不同负载方法制备了含有不同贵金属的TiO2光催化剂,通过测试其XPS和光催化活性和选择性发现,TiO2光催化剂在丙炔和水的光催化水解反应中,由于贵金属的存在,有利于促进发生加氢反应,导致丙烯的生成量增加.Pt,Ru,Rh,Pd和Ag负载在TiO2上,在紫外线照射下(λ>270nm),Pd负载的TiO2光催化剂表现出最高的光催化活性.光催化活性和负载贵金属所处的氧化状态有密切的关系,贵金属完全被还原到0价是提高光催化活性的必要条件.     

镁铝复合金属氧化物负载纳米Pd催化剂的制备及其在醇胺一步合成亚胺反应中的应用

以共沉淀法制备的Pd2+掺杂水滑石为前驱体,通过焙烧、还原得到了镁铝复合金属氧化物负载纳米Pd催化剂.利用X射线粉末衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS),场发射透射电子显微镜(TEM)等手段对催化剂进行表征,发现通过Pd2+掺杂水滑石为前驱体制备的复合金属氧化物负载纳米Pd催化剂,可以实现Pd纳米颗粒(3.6 nm)在镁铝复合氧化物表面的均匀分散.该催化剂在催化苯甲醇和苯胺一步法合成N-苄叉苯胺时,在温和的反应条件下表现出良好的催化性能以及对N-苄叉苯胺较高的选择性,产物收率99%.在循环实验过程中,催化剂表现出较好的稳定性,并且催化活性未见下降.     

贵金属在Ag_2S纳米颗粒中由内向外的迁移现象

纳米颗粒具有明显区别于块体材料的新奇特性,本文利用透射电镜观察,描述并讨论一种发生在贵金属(Au、Ag、Pd和Pt)和硫化银(Ag_2S)构成的核壳结构纳米颗粒中的有趣现象,即贵金属在Ag_2S纳米颗粒中由内向外的迁移。迁移可在室温下进行,其最终结果使最初的核壳结构颗粒演变成由贵金属和Ag_2S构成的异质纳米二聚体结构,如Au-Ag_2S、Ag-Ag_2S、PdAg_2S和Pt-Ag_2S。电镜表征表面实验条件下贵金属在Ag_2S的迁移类似于一种整体迁移的模式且迁移过程中伴随着颗粒形貌结构的演变。贵金属在Ag_2S中的经空位互换的扩散机制或半导体纳米颗粒的自纯化机制可以用来解释这种迁移现象。     

三维多孔核壳结构PdNi@Au催化剂的制备及对甲酸的电催化氧化

以K₂PdCl₄/K₂Ni(CN)₄为前驱体制备了具有凝胶特性的氰胶(Cyanogels), 利用硼氢化钠还原氰胶得到三维多孔珊瑚状PdNi合金前驱体, 在此基础上通过原位Galvanic置换反应, 制备得到内核为PdNi合金、 表面具有不同厚度Au层的三维多孔PdNi@Au催化剂. X射线衍射(XRD)分析和透射电子显微镜(TEM)观测结果显示, 该三维网状结构由粒径约7 nm的纳米颗粒相互连接形成; 能量分散光谱(EDX)线性扫描和元素分布(Mapping)分析显示该催化剂具有典型的核壳结构. 电化学测试结果表明, 表面Au层的厚度影响PdNi@Au催化剂的性能, 当Au的含量(摩尔分数)为5.6%时, 催化剂显示出对甲酸最佳的电催化活性, 对甲酸电催化氧化的峰电流密度达到商业化铂黑催化剂的7.2倍.     

CoFeOx/MoO2准平行纳米阵列电极的析氢性能

利用CoFe层状双金属氢氧化物(CoFe LDH)准平行纳米片阵列作为载体前驱体,通过原位负载及煅烧方式,实现了含有氧空位的MoO₂纳米颗粒在纳米片阵列表面的生长。电化学研究结果表明,所得CoFeO_x/MoO₂纳米阵列电极具有高析氢反应(HER)催化活性。该电极在10和1 000 mA·cm^-2时的HER过电位分别为40和217 mV。在50 mA·cm^-2的电流密度下,该电极可以稳定运行125 h。     

Au纳米颗粒负载SnO_2双层空心立方体的CO气敏性能

基于中空多孔微纳米结构的结构特点以及贵金属Au纳米颗粒的催化活化作用,制备了Au纳米颗粒负载的SnO_2双层空心立方体,其CO气敏性能比纯相SnO_2纳米结构显著增强.本文对纯相和Au负载SnO_2双层空心立方体的结构、形貌和气敏性能进行了研究,发现均匀负载的Au纳米颗粒未显著破坏SnO_2双层空心立方纳米结构.CO气敏性能研究结果表明,Au负载SnO_2在最佳工作温度(220℃)下对24.7 mg/m~3(20 ppm)CO气体的灵敏度可达20.9,明显高于纯相SnO_2的灵敏度.Au负载SnO_2对CO气敏特性的显著增强不仅归因于双层空心立方结构的特殊结构优点,还可以归因于负载的Au纳米颗粒的催化活化作用.     

水滑石负载AuCu合金催化水煤气变换反应:催化性能与结构组成

以ZnAl水滑石(ZnAl-LDHs)为载体,合成了负载Au和AuCu合金的水滑石(Au/LDHs和AuCu/LDHs)用于催化水煤气变换反应(WGSR)。利用X射线粉末衍射(XRD)、高分辨率透射电镜(HRTEM)及扫描透射电子显微镜(STEM)表征了负载型催化剂的结构与组成。探讨了不同的Au和Cu物质的量之比(nAu∶nCu)对AuCu/LDHs催化WGSR性能的影响并与Au/LDHs的活性进行了对比。结果表明,负载Au纳米颗粒可明显的提升LDHs催化WGSR的活性,而负载AuCu合金后其活性又进一步的提升。当nAu∶nCu=2∶1时具有最佳的催化效率:活性为207.1μmol·gcat-1·s-1,TOF值为1.79 s-1,活化能为31.1 kJ·mol-1。通过分析对比不同样品的物理化学性质参数,探讨了不同的nAu∶nCu对Au的粒径、分散度、覆盖度及反应活性的影响。此外,X射线光电子能谱(XPS)分析表明,加入第二金属Cu形成合金后增大了Auδ+组分在体系中的含量(nAu∶nCu=2∶1时含量最高),这可能是负载体系催化WGSR具有高活性的原因。     

Pd/TiO2/C复合催化剂的制备及其在碱性溶液中对乙醇氧化的电催化性能

钛酸四丁酯前驱体水热合成制备纳米TiO₂颗粒,在TiO₂和Vulcan XC-72活性炭复合载体上液相还原负载Pd纳米颗粒,制得Pd/TiO₂/C复合催化剂. 通过透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）测试表明其具有面心立方结构,Pd金属粒子（粒径约3 ~ 4 nm）均匀分散在锐钛矿型的纳米TiO₂和活性炭的复合载体上. 循环伏安和计时电流曲线测试表明,与相同Pd载量的Pd/C相比,20% Pd载量的Pd/TiO₂/C颗粒在常温常压下对乙醇的电催化氧化有很高活性和稳定性. 这主要归功于纳米TiO₂改变了Pd表面的电子特性,且增大了其比表面积.