科学家在高温稳定性贵金属纳米催化剂制备上取得突破进展

纳米催化剂
纳米催化剂

负载型贵金属催化剂由于在CO和碳氢氧化、水煤气转化、选择性加氢等众多化学反应中具有非常突出的催化活性,所以此类催化剂一直是催化领域的研究热点。大量的研究结果表明,贵金属催化剂的活性、选择性和稳定性等催化性能与贵金属纳米颗粒的尺寸密切相关,当金属颗粒尺寸大于6nm时贵金属催化剂的活性急剧下降。但是,由于低塔曼温度和高表面能,贵金属纳米颗粒在热处理过程中会发生烧结现象,转变成大颗粒以降低表面能,最终导致贵金属催化剂的性能下降。目前文献中已经报道了提高贵金属纳米颗粒热稳定性的多种方法和技术,包括孔道限域、包埋、合金效应以及载体预处理等。虽然这些方法可以在不同程度上提高贵金属纳米颗粒的热稳定性,但是也都存在自身的一些缺陷,例如包埋方法在提高贵金属纳米颗粒热稳定性的同时也覆盖了催化剂的活性位,并极大增加了反应物和产物的扩散阻力。

华东理工大学化学学院詹望成副教授作为第一完成人,与美国橡树岭国家实验室戴胜教授合作,近期在高温稳定性贵金属纳米催化剂制备方面取得了突破性进展。近日,《美国化学会志》以“A Sacrificial Coating Strategy Toward Enhancement of Metal-Support Interaction for Ultrastable Au Nanocatalysts”为题在线报道了该研究成果。

研究者创新性地开发了一种合成条件非常温和的稳定贵金属纳米颗粒的控制方法,而且该方法不受载体和贵金属种类的限制,具有很广泛的适用性。对于某一特定的负载型贵金属纳米催化剂,首先将负载型贵金属纳米催化剂置于多巴胺室温聚合的反应体系中,在贵金属纳米颗粒和载体表面形成有机聚合物,然后在氮气气氛中焙烧将有机聚合物转变成炭层,该步骤有别于传统制备方法中采用的空气焙烧,在炭化过程中可有效增加贵金属颗粒与载体之间的相互作用(接触性增强以及产生电子转移),从而使得在后续高温空气焙烧过程中,贵金属纳米颗粒的烧结得到极大地抑制。同时,包覆在TiO2载体表面的炭层可有效提高载体的热稳定性,从而进一步抑制了载体和贵金属颗粒之间的界面重构。最终,导致贵金属催化剂在高温热焙烧后仍能保持较高的CO氧化和丙烯催化燃烧反应活性,而没有经过炭化热处理的催化剂在两个反应中的活性急剧下降。

该工作得到了国家重点研发计划、国家重大科学研究计划以及上海高校教师培养计划等项目的资助。

论文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b10472

(据华东理工大学)

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