細菌纖維素負載金納米粒子催化劑的制備及催化性能研究.pdf

1、近年來，金納米粒子（AuNPs）因為具有獨特的量子尺寸效應、表面效應、體積效應及宏觀量子隧道效應，在光電學、傳感器、生物醫(yī)藥和基因傳遞等領域具有廣泛的潛在應用，除此之外，AuNPs更是目前最具有發(fā)展前景的催化劑之一，可廣泛應用于CO氧化反應、C-C偶聯(lián)反應和氮氧化物還原反應等。然而，由于 AuNPs尺寸極小，具有很大的比表面能，長期放置或處于高溫狀態(tài)下易造成粒子間的不可逆團聚，這極大地降低了 AuNPs的催化活性。因此，尋找合適的載體來

2、固定AuNPs，使其具有較高的催化活性，是當下研究的一個熱點。細菌纖維素（BC）是一種天然的高結(jié)晶度、高純度的納米纖維材料，具有超高比表面積和超精細網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，同時纖維表面含有大量的羥基，可輕易進行化學改性，因此BC十分適合作為負載金屬納米粒子的載體。本論文以細菌纖維素為基材制備了兩種催化劑，分別為細菌纖維素膜負載金納米粒子催化劑以及氧化細菌纖維素納米纖維負載金納米粒子催化劑，并對它們作為催化劑在硼氫化鈉（NaBH4）還原對硝基苯酚（4-

3、NP）反應中的催化性能進行了研究。具體工作如下：
　　（1）以BC為載體，氯金酸（HAuCl4）為金前驅(qū)體，通過原位還原法制備了細菌纖維素膜負載金納米粒子（AuNPs/BC）催化劑。采用UV-Vis、TEM、XRD、ICP-AES和FT-IR對催化劑的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行表征。通過4-NP催化還原反應來評價AuNPs/BC催化劑的催化活性。研究結(jié)果表明，催化劑中活性組分AuNPs的粒徑大小為5.30±1.23 nm，其形狀規(guī)則，沒有團聚

4、現(xiàn)象發(fā)生。AuNPs在BC上的負載量可通過調(diào)控HAuCl4溶液的濃度來進行控制。AuNPs/BC催化劑在催化還原4-NP實驗中表現(xiàn)出較高的催化效率，其反應速率常數(shù)為5.09×10-3 s-1，轉(zhuǎn)換頻率為64 h-1。此外催化劑的量、還原劑的量以及體系反應溫度都對催化劑的催化效率有一定的影響。AuNPs/BC催化劑具有很好的重復使用穩(wěn)定性，在循環(huán)利用6次之后，仍然能夠保持較高的催化活性。
　　（2）采用TEMPO/NaBr/NaCl

5、O體系對BC進行化學改性得到了單根分散的氧化細菌纖維素納米纖維（TOBCNs），并通過原位還原法成功制備了氧化細菌纖維素納米纖維負載金納米粒子(AuNPs/TOBCNs)催化劑。采用 UV-Vis、TEM、HRTEM以及 XRD對催化劑的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行表征。通過4-NP催化還原反應評價AuNPs/TOBCNs催化劑的催化性能。研究結(jié)果表明，TOBCNs表面的羧基能夠?qū)uNPs固定在纖維表面，防止其團聚，使AuNPs保持高的分散性和較小

6、的粒徑，其平均粒徑為4.30±0.97 nm。同時AuNPs粒徑大小和在TOBCNs上的分布受體系pH值和TOBCNs濃度的影響。AuNPs/TOBCNs催化劑在4-NP還原反應中表現(xiàn)出非常高的催化活性，其反應速率常數(shù)為6.75×10-3 s-1，轉(zhuǎn)換頻率TOF為750 h-1，較之AuNPs/BC的TOF值64 h-1高出11.7倍，同時比一些最近報道的AuNPs催化劑體系高1.2~1000倍。此外，催化劑的量、還原劑的量、反應溫度以