金属氧化物封装的纳米Pt基催化剂的制备及性能研究

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纳米Pt基催化剂表现出独特的结构和突出的性能,有着广泛的应用前景。一般来说,负载型Pt基纳米催化剂的催化性能主要由催化剂的活性组分和载体两个重要因素所决定。活性组分的粒径越小,稳定性越高相应的性能就越强。而具有介孔形貌的载体一方面可以使负载的Pt纳米粒子分散更均匀,另一方面这些金属氧化物可以通过与活性中心的协同作用使得催化更高效。因此本论文从改善纳米Pt基催化剂的催化活性出发,采用模板法制备了不同形貌的介孔金属氧化物以及金属氧化物壳层,并在此过程中获得了制备双壳层金属氧化物的新方法。之后以制备的金属氧化物为载体,进行Pt纳米粒子的封装。重点探究了形貌不同的复合金属氧化物载体对Pt纳米金属催化剂的催化性能的影响。最后,选择对硝基苯酚的还原反应来评价催化剂的性能。综合所有的表征和分析数据,得到如下结果:1.选择介孔二氧化硅为牺牲模板,采用硬模板法制备有序网状介孔ZrO2以及La2O3-ZrO2复合材料。随后,在介孔ZrO2和La2O3-ZrO2复合材料上负载由聚酰胺-胺型树枝状聚合物封装的均匀的Pt纳米粒子,得到了PtDENs/ZrO2和PtDENs/La2O3-ZrO2催化剂。通过TEM、BET、EDX、XRD和XPS等表征方法对催化剂的形貌和结构进行了分析,结果发现Pt纳米粒子维持着较小的尺寸,并且载体的介孔结构分散均匀,负载Pt纳米粒子后介孔结构只有部分坍塌,另外La的加入提高了Pt的负载量。在催化性能测试中,相比而言,550°C氮气煅烧的Pt/La2O3-ZrO2催化活性较高,而且具有较高的循环性能。进一步证明了La的引入可以改善载体的结构,提高了单一的Pt负载的ZrO2催化剂的催化效率。2.采用一种新颖的合成方法,以介孔空心SiO2球为牺牲模板,浸渍硝酸镧、硝酸铈以及硝酸镧和硝酸铈的混合溶液,经过焙烧和刻蚀后制备了金属氧化物(如La2O3、CeO2和La2O3-CeO2)双壳空心纳米球(MDSHs)载体。与传统的合成方法相比,这种方法避免了繁琐的步骤。之后将Pt纳米颗粒封装于氧化物载体的壳层中制得了Pt-LDSH、Pt-CDSH以及Pt-LCDSH催化剂。通过TEM、BET、EDX、XRD、XPS等方法对每一步的产物进行表征并且以对硝基苯酚的还原反应为探针考察催化性能。测试结果显示所有的MDSHs都具有双壳结构,其内壳和外壳都由金属氧化物颗粒堆积而成。DHS的金属氧化物可以为Pt纳米粒子提供丰富的活性位点,双壳之间的空隙也可以填充PtNPs。另外Pt-LCDSH与单一的Pt-LDSH、Pt-CDSH相比,催化性能明显提高。3.采用水热法制备了椭球形Fe2O3,在其表面负载Pt纳米粒子后,包裹二氧化硅层,通过硅层的刻蚀和再沉积得到了Fe2O3-Pt@HMS。之后以其为模板,经过硝酸镧的浸渍煅烧和二氧化硅的刻蚀之后,在其外面合成了双壳的蛋黄壳纳米复合物椭球体(Fe2O3-Pt@DSL)。同样的,在对所制备的样品进行表征后得到了以下结论:Fe2O3-Pt@DSL纳米复合材料具有介孔结构;在对硝基苯酚的还原反应中,由于Fe2O3-Pt@DSL催化剂的结构优势和协同效应,该催化剂表现出较高的催化和循环性能。
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