高效纳米催化剂的固相合成及应用研究
过渡金属氧化物及金属纳米催化剂由于其特殊的物理化学性质和优异的催化活性，在环境与能源催化领域具有广阔的应用前景。但是目前纳米催化剂的制备技术普遍存在合成工艺复杂、生产成本高、组成和结构难以控制等问题，且得到的催化剂活性和稳定性较低。本论文针对上述纳米催化剂合成中存在的诸多问题，以廉价的有机-无机层状化合物为单一前驱体，通过固态热解法可控制备了高质量的一维Co3O4和三维NixCu1-x@C(x≥0.67)纳米催化剂，并考察了它们在环境与能源相关催化反应中的应用。具体研究内容如下: 1.以水杨酸根插层层状氢氧化钴为前驱体，在空气中通过一步固态热解法制备了Co3O4纳米催化剂，对其组成和结构进行了详细的表征，并探究了焙烧温度对其催化活性的影响。XRD、FTIR、SEM、HRTEM、XPS和N2吸脱附等表征结果发现低温条件下得到了富含氧空位的多孔Co3O4纳米线。将不同温度制备的Co3O4应用到催化反应中，其催化活性随焙烧温度升高而降低，这归因子温度升高其比表面积降低、粒子尺寸增加等。有机染料橙黄Ⅱ的催化降解测试表明，低温所得纳米催化剂的催化活性为商业Co3O4的5倍;循环利用5次后，仍然具有很高的催化效率。电催化水氧化性能测试表明，其催化活性和稳定性远高于商业Pt/C催化剂。Co3O4纳米催化剂优异的催化活性主要归功于氧空位的存在，反应过程中易结合OH-，从而形成Co-O键，加速了电子传导速率。 2.通过调变前驱体中金属的组成，制备了水杨酸根插层层状氢氧化镍铜并以此为前驱体，无需额外碳源和还原剂，在N2中利用一步固态热解法得到NixCuvx@C纳米复合催化剂，改变反应条件，实现了其可控制备。XRD、HRTEM和Raman表征发现该固相方法实现了高结晶度的NiCu合金纳米颗粒(～10nm)在石墨化碳基质中的均匀分散。N2吸脱附结果表明该材料拥有较大的比表面积（128.18m2/g）和介孔结构。进一步的XPS和FTIR表征发现，NiCu合金与碳之间具有强相互作用，且通过NiCu-O-C键相连;碳表面存在丰富的羟基（-OH）功能基团。在对硝基苯酚加氢性能测试中，500℃焙烧所得Ni0.75Cu0.25@C纳米催化剂表现出较高的催化活性，且优于商业Pt/C催化剂;由于Ni的引入可实现其磁性分离回收，循环利用8次后转化率仍高达96％。此外，该纳米催化剂也表现出优异的甲醇电氧化性能。 综上所述，本论文无需任何表面活性剂、有机溶剂和模板，以有机-无机层状化合物为前驱体，通过一步固相法获得了高质量、高效的Co3O4和NixCu1-x@C纳米催化剂。该方法简单可控，易放大，可拓展到其它过渡金属氧化物、金属及碳材料的制备中，具有潜在的工业应用价值。
纳米催化剂;固态热解法;有机-无机层状化合物;催化活性;化学结构
北京化工大学
硕士
化学工程
王连英;蒋进元
2017
中文
TQ426.6
99
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）