高效納米催化劑的固相合成及應用研究.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性質和優(yōu)異的催化活性，在環(huán)境與能源催化領域具有廣闊的應用前景。但是目前納米催化劑的制備技術普遍存在合成工藝復雜、生產(chǎn)成本高、組成和結構難以控制等問題，且得到的催化劑活性和穩(wěn)定性較低。本論文針對上述納米催化劑合成中存在的諸多問題，以廉價的有機-無機層狀化合物為單一前驅體，通過固態(tài)熱解法可控制備了高質量的一維Co3O4和三維NixCu1-x@C(x≥0.67)納米催化劑，并考察了它們在環(huán)境與

2、能源相關催化反應中的應用。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，對其組成和結構進行了詳細的表征，并探究了焙燒溫度對其催化活性的影響。XRD、FTIR、SEM、HRTEM、XPS和N2吸脫附等表征結果發(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應用到催化反應中，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。有機染料橙黃Ⅱ的催化降解測試表明，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試表明，其催化活性和穩(wěn)定性遠高于商業(yè)Pt/C催化劑。Co3O4納米催化劑優(yōu)異的催化活性主要歸功于氧空位的存在，反應過程中易結合OH-，從而形成Co-O鍵，加速了電子傳導速率。
　　2.通過調(diào)變前驅體中金屬的組成，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納米復合催化劑，改變反應條件，實現(xiàn)了其可控制備。XRD、HRTEM和Raman表征發(fā)現(xiàn)該固相方法實現(xiàn)了高結晶度的NiCu合金納米顆粒(～10nm)在石墨化碳基質中的均勻分散。N2吸脫附結果表明該材料擁有較大的比表面積（128.18m2/g）和介孔結構。進一步的XPS和FTIR表征發(fā)現(xiàn)，NiCu合金與碳之間具有強相互作用，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。在對硝基苯酚加氫性能測試中，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的引入可實現(xiàn)其磁性分離回收，循環(huán)利用8次后轉化率仍高達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、有機溶劑和模板，以有機-無機層狀化合物為前驅體，通過一步固相法獲得了高質量、高效的Co3O4和NixCu1-x@C納米催化劑。該方