多功能贵金属纳米颗粒的设计合成及催化性能的研究

发布时间：2017-08-28 00:44

  本文关键词：多功能贵金属纳米颗粒的设计合成及催化性能的研究

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【摘要】：贵金属金、钯等及其双金属纳米颗粒因其具有独特的光学、电学和协同催化性能引起了科研人员的广泛关注。尤其在催化领域,设计结构合理和可循环使用的纳米催化剂以降低成本及提高利用率已经成为该领域的研究热点。此外,具有空心或孔结构纳米材料由于比表面积高、密度低和材料消耗低等特点,不但具有高的催化效率,还能够有效的节约贵金属资源。同时,利用磁性纳米颗粒作为载体,使贵金属材料能够作为可循环使用的催化剂,可以降低成本提高利用率。四氧化三铁纳米颗粒(Fe_3O_4 NPs)具有粒径小、磁响应性强、便于磁性分离回收等优点,使得超顺磁性Fe_3O_4 NPs为载体合成磁性贵金属纳米复合材料成为研究热点之一。本文用一步无模板法制备金纳米空心球,种子生长法合成Fe_3O_4@Au空心球,利用Fe_3O_4作为模板设计合成了双金属Au-Pd磁性复合纳米颗粒,并利用透射电子显微镜(TEM)、高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDX)、X-射线粉末衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)等分析方法对其形貌、成分和结构充分的进行了表征,利用典型的硼氢化钠(NaBH4)还原对硝基苯酚(4-NP)和铁氰化钾(K_3Fe(CN)_6)的催化反应来验证金纳米空心球,Fe_3O_4@Au空心球,Fe_3O_4@Au-Pd复合纳米颗粒这3种材料的催化活性,同时其催化性能用紫外可见吸收光谱系统跟踪表征。具体的研究内容如下:(1)利用2-巯基噻唑啉(2-MT)作为还原剂和稳定剂,通过一步无模板法合成了金空心纳米球(GHNSs)。GHNSs是空心球壳,尺寸均匀,具有大的比表面积,外径约为120 nm,内径约为90 nm,球壳壁厚为20-25 nm,组成球壳的Au NPs尺寸约为5 nm。GHNSs用于催化NaBH4还原4-NP和K_3Fe(CN)_6溶液,具有较高的催化性能,并且能够回收重复利用,至少能够重复使用5次,结果表明GHNSs具有高效的催化活性、良好的循环性和稳定性。(2)以具有孔结构的Fe_3O_4球作为模板,设计合成Fe_3O_4@Au空心球,利用尺寸为3.5 nm的Au NPs均匀的修饰在Fe_3O_4空心球内外表面,基于金纳米种子,在金生长溶液中,Au NPs进一步原位生长到6 nm左右,得到Fe_3O_4@Au空心球。利用Fe_3O_4@Au空心球作为催化剂,催化NaBH4还原4-NP和K_3Fe(CN)_6溶液,表现出较高的催化性能,利用磁铁能够容易地从反应后的溶液中分离出催化剂Fe_3O_4@Au空心球,并且,回收的Fe_3O_4@Au空心球重复使用6次后仍具有催化活性,实验结果表明Fe_3O_4@Au空心球具有较高的催化活性和较好的稳定性和循环性。(3)在Fe_3O_4空心球为模板的基础上合成Fe_3O_4@Pd和Fe_3O_4@Au-Pd复合纳米颗粒。通过TEM和SEM表征Fe_3O_4@Pd和Fe_3O_4@Au-Pd,尺寸约为20 nm的Pd NPs均匀分散在Fe_3O_4空心球上,通过HAADF-STEM表征Fe_3O_4@Au-Pd表面的纳米颗粒为Au-Pd的双金属结构,尺寸为20-25 nm。考察Fe_3O_4@Pd和Fe_3O_4@Au-Pd复合纳米颗粒的催化性能,催化NaBH4还原4-NP和K_3Fe(CN)_6反应,具有较高的催化活性,并且Fe_3O_4@Au-Pd的催化活性明显高于Fe_3O_4@Pd。利用磁铁能够容易地从反应后的溶液中回收Fe_3O_4@Pd和Fe_3O_4@Au-Pd催化剂,并且至少能够循环使用6次,且能够实现4-NP和K_3Fe(CN)_6的转化率高于99%,结果表明Fe_3O_4@Pd和Fe_3O_4@Au-Pd具有高效的催化活性、较好的稳定性和循环性。
【关键词】：金纳米颗粒 金-钯双金属纳米颗粒 空心结构 磁性 催化剂
【学位授予单位】：哈尔滨师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;O614.123
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第1章 绪论15-34
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 贵金属纳米颗粒的概述16-23
• 1.2.1 贵金属纳米颗粒的制备方法16-19
• 1.2.2 贵金属纳米颗粒的性质19-22
• 1.2.3 贵金属纳米颗粒的应用22-23
• 1.3 空心结构纳米材料的概述23-32
• 1.3.1 空心结构纳米材料的制备方法24-30
• 1.3.1.1 硬模板法24-25
• 1.3.1.2 软模板法25-27
• 1.3.1.3 牺牲模板法27-28
• 1.3.1.4 无模板法28-30
• 1.3.2 空心结构纳米材料的应用30-32
• 1.4 本课题研究意义及主要内容32-34
• 第2章 金纳米空心球的合成及其催化性能的研究34-48
• 2.1 引言34-35
• 2.2 实验部分35-36
• 2.2.1 主要试剂35
• 2.2.2 主要实验仪器35-36
• 2.2.3 金纳米空心球的合成36
• 2.2.4 对硝基苯酚的催化还原36
• 2.2.5 K3Fe(CN)6 的催化还原36
• 2.3 结果与讨论36-47
• 2.3.1 金纳米空心球形成机理36-38
• 2.3.2 XRD和XPS结果分析38-39
• 2.3.3 TEM和SEM结果分析39-40
• 2.3.4 金纳米空心球催化NaBH4还原对硝基苯酚的结果和循环性分析40-44
• 2.3.5 金纳米空心球的稳定性分析44-45
• 2.3.6 金纳米空心球催化NaBH4还原K3Fe(CN)6 循环性分析45-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第3章 Fe_3O_4@Au空心球的制备及可回收高效催化性的研究48-65
• 3.1 引言48-49
• 3.2 实验部分49-52
• 3.2.1 主要试剂49-50
• 3.2.2 主要实验仪器50
• 3.2.3 磁性Fe_3O_4纳米空心球的制备50
• 3.2.4 APTES修饰磁性Fe_3O_4空心球50-51
• 3.2.5 Fe_3O_4@Au空心球的合成51
• 3.2.6 对硝基苯酚的催化还原51
• 3.2.7 K3Fe(CN)6 的催化还原51-52
• 3.3 结果与讨论52-64
• 3.3.1 TEM和SEM及N2吸附结果分析52-54
• 3.3.2 XRD和XPS结果分析54-55
• 3.3.3 磁滞回线结果分析55-56
• 3.3.4 Fe_3O_4@Au空心球催化NaBH4还原对硝基苯酚和循环性分析56-59
• 3.3.5 催化剂Fe_3O_4@Au空心球的稳定性分析59-61
• 3.3.6 Fe_3O_4@Au空心球催化NaBH4还原K3Fe(CN)6 循环性分析61-64
• 3.4 本章小结64-65
• 第4章 磁性双金属Fe_3O_4@Au-Pd复合纳米颗粒的设计合成及催化性能的研究65-83
• 4.1 前言65-66
• 4.2 实验部分66-68
• 4.2.1 主要试剂66
• 4.2.2 主要实验仪器66-67
• 4.2.3 磁性Fe_3O_4纳米空心球的制备67
• 4.2.4 Fe_3O_4@Pd复合纳米颗粒的合成67
• 4.2.5 Fe_3O_4@Au-Pd复合纳米颗粒的合成67-68
• 4.2.6 对硝基苯酚的催化还原68
• 4.2.7 K3Fe(CN)6 的催化还原68
• 4.3 结果与讨论68-82
• 4.3.1 合成路线分析68-69
• 4.3.2 XRD结果分析69-70
• 4.3.3 TEM和SEM及N2吸附结果分析70-73
• 4.3.4 XPS和磁滞回线结果分析73-74
• 4.3.5 Fe_3O_4@Au-Pd复合纳米颗粒催化NaBH4还原对硝基苯酚和循环性及稳定性的结果分析74-79
• 4.3.6 Fe_3O_4@Au-Pd复合纳米颗粒催化NaBH4还原K3Fe(CN)6 和循环性的结果分析79-82
• 4.4 本章小结82-83
• 结论83-84
• 参考文献84-99
• 攻读硕士期间发表的学术论文99-101
• 致谢101

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本文编号：746512