高效納米催化劑的固相合成及應(yīng)用研究.pdf

1、過渡金屬氧化物及金屬納米催化劑由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的催化活性，在環(huán)境與能源催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是目前納米催化劑的制備技術(shù)普遍存在合成工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、組成和結(jié)構(gòu)難以控制等問題，且得到的催化劑活性和穩(wěn)定性較低。本論文針對(duì)上述納米催化劑合成中存在的諸多問題，以廉價(jià)的有機(jī)-無機(jī)層狀化合物為單一前驅(qū)體，通過固態(tài)熱解法可控制備了高質(zhì)量的一維Co3O4和三維NixCu1-x@C(x≥0.67)納米催化劑，并考察了它們?cè)诃h(huán)境與

2、能源相關(guān)催化反應(yīng)中的應(yīng)用。具體研究內(nèi)容如下:
　　1.以水楊酸根插層層狀氫氧化鈷為前驅(qū)體，在空氣中通過一步固態(tài)熱解法制備了Co3O4納米催化劑，對(duì)其組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表征，并探究了焙燒溫度對(duì)其催化活性的影響。XRD、FTIR、SEM、HRTEM、XPS和N2吸脫附等表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)低溫條件下得到了富含氧空位的多孔Co3O4納米線。將不同溫度制備的Co3O4應(yīng)用到催化反應(yīng)中，其催化活性隨焙燒溫度升高而降低，這歸因子溫度升高其比表面積

3、降低、粒子尺寸增加等。有機(jī)染料橙黃Ⅱ的催化降解測(cè)試表明，低溫所得納米催化劑的催化活性為商業(yè)Co3O4的5倍;循環(huán)利用5次后，仍然具有很高的催化效率。電催化水氧化性能測(cè)試表明，其催化活性和穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于商業(yè)Pt/C催化劑。Co3O4納米催化劑優(yōu)異的催化活性主要?dú)w功于氧空位的存在，反應(yīng)過程中易結(jié)合OH-，從而形成Co-O鍵，加速了電子傳導(dǎo)速率。
　　2.通過調(diào)變前驅(qū)體中金屬的組成，制備了水楊酸根插層層狀氫氧化鎳銅并以此為前驅(qū)體，無需額外

4、碳源和還原劑，在N2中利用一步固態(tài)熱解法得到NixCuvx@C納米復(fù)合催化劑，改變反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)了其可控制備。XRD、HRTEM和Raman表征發(fā)現(xiàn)該固相方法實(shí)現(xiàn)了高結(jié)晶度的NiCu合金納米顆粒(～10nm)在石墨化碳基質(zhì)中的均勻分散。N2吸脫附結(jié)果表明該材料擁有較大的比表面積（128.18m2/g）和介孔結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的XPS和FTIR表征發(fā)現(xiàn)，NiCu合金與碳之間具有強(qiáng)相互作用，且通過NiCu-O-C鍵相連;碳表面存在豐富的羥基（-O

5、H）功能基團(tuán)。在對(duì)硝基苯酚加氫性能測(cè)試中，500℃焙燒所得Ni0.75Cu0.25@C納米催化劑表現(xiàn)出較高的催化活性，且優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑;由于Ni的引入可實(shí)現(xiàn)其磁性分離回收，循環(huán)利用8次后轉(zhuǎn)化率仍高達(dá)96％。此外，該納米催化劑也表現(xiàn)出優(yōu)異的甲醇電氧化性能。
　　綜上所述，本論文無需任何表面活性劑、有機(jī)溶劑和模板，以有機(jī)-無機(jī)層狀化合物為前驅(qū)體，通過一步固相法獲得了高質(zhì)量、高效的Co3O4和NixCu1-x@C納米催化劑。該方