负载的双金属纳米催化剂Pd-Pt的合成和应用研究

【摘要】双金属胶态纳米材料,尤其是Pd和Pt双金属作为催化剂,被应用到许多化学和电化学反应中,制备高催化活性的Pd-Pt双金属纳米催化剂和探索新的催化应用仍为当今的发展趋势。但是在催化反应之后,双金属纳米催化剂的催化活性就会有着一定的下降。因此,人们采用一些传统的方法将双金属纳米材料负载到载体上以提高催化剂的稳定性。但是这些传统的方法都是使用物理吸附的方法将催化剂固定到载体上的,而且使用原位还原法成功将双金属纳米材料加载到载体上至今没有报道,但是使用原位还原法制备的负载的催化剂可以更好的提高催化性能。本篇论文的主要研究工作是寻找一种简单的方法将Pd-Pt双金属纳米粒子原位生长在一种磁性载体上,然后拓展和探索Pd-Pt双金属纳米催化剂在催化领域的新应用。在探讨将双金属Pd-Pt纳米粒子负载到载体为超顺磁性性胶态纳米粒子Fe3O4@C的表面上之前,我们先研究使用乙醇还原法将单金属Pd和Pt纳米粒子负载到Fe3O4@C上所需要的条件。我们发现在载体存在的情况下,Pd离子和Pt离子可以更为容易的被乙醇还原,然后原位生长在载体的表面上。而且,我们可以通过控制贵金属前驱体的用量和温度,简易的调节贵金属纳米粒子的负载量和分布。对于制备负载的Pd-Pt双金属纳米材料,我们首先是使用人们常用的共还原法,发现在常温下就可以合成得到尺寸均一的双金属纳米粒子均匀分散在载体的表面上。然后我们又发展了一种新型的方法,我们称为两步还原合成法。这种方法是将电化学置换反应和原子间的扩散结合起来,具体来说是,我们利用预先负载的纳米粒子Pt单质来还原Pd离子,沉淀到Pt纳米粒子的表面,然后由于Pd和Pt相同的晶体结构和相似的晶格常数,在常温下,Pd原子与Pt之间发生扩散。我们使用各种表征手段证实了,负载在Fe3O4@C表面上的是PtPd合金纳米粒子。最后,为了研究同样的载体,不同的表面性质对催化反应的影响,我们使用已报道的一种方法制备了磁性纳米复合粒子Fe3O4@C,并使用同样的两步原位合成法,将Pd-Pt双金属负载到其上。实验证明,Pd-Pt双金属亦能均匀的负载到Fe3O4@C的表面上我们将制备的各种样品应用到催化对硝基苯酚的还原反应中,发现使用两步原位合成法制备的负载的PtPd合金纳米催化剂有着超高的活性,其比反应速率常数达到12.03nmol-1s-1。这是使用共还原法制备的双金属纳米催化剂的两倍,是使用载体Fe3O4@C制备的双金属催化剂的九倍。而且我们通过改变双金属纳米催化剂的成分来研究催化活性的变化趋势,发现使用共还原法制备的负载的Pd-Pt双金属纳米催化剂,它的催化活性是随着两种成分中的Pd含量的增加而单调地升高；使用两步原位合成法制备的Pd-Pt双金属纳米催化剂的催化活性随着Pd含量的增加而呈现火山型的变化。这可能是由于不同的制备方法导致了双金属纳米材料具有不同的结构,因而具有不同的催化性能。再者,我们对使用两步原位合成法制备的催化剂进行了循环催化性能的研究,发现在循环催化四次之后,催化活性开始大幅度的下降。我们认为这是由于在剧烈的反应环境下,负载在CMNPs表面的合金纳米颗粒发生脱落和载体CMNPs表面的碳层开始崩溃造成的。
【作者】张鹏；
【导师】陈乾旺；
【作者基本信息】中国科学技术大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】双金属催化剂；PtPd；纳米合金；还原反应；对硝基苯酚；催化活性；循环性能；

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