《德国应用化学》报道我院在高热稳定性贵金属纳米催化剂制备方面的新方法

        《德国应用化学》以“Surfactant-Assisted Stabilization of Au Colloids on Solids for Heterogeneous Catalysis”为题在线报道了我院詹望成副教授在高热稳定性贵金属纳米催化剂制备方面取得的突破性进展(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, DOI: 10.1002/anie.201701191)。

        与金属块体相比,金属纳米粒子由于尺寸效应、宏观量子隧道效应等,表现出特殊的光、电、磁、热、化学等性能。而在催化材料领域,往往可以通过控制合成特定尺寸、组成以及形貌的金属纳米粒子,设计和制备出高性能的纳米金属催化剂。目前金属纳米粒子的控制合成普遍采用湿化学合成法,合成过程中利用稳定剂对成核的金属纳米粒子进行包覆,从而控制合成尺寸均一的金属纳米粒子胶体,并使其可稳定的分散在溶剂中,避免团聚。但是,将金属纳米粒子胶体沉积到载体上制备得到的催化剂应用于具体的反应中时,必须要先消除包覆在金属纳米粒子表面的稳定剂,以暴露金属活性位。目前常用的方法主要有溶剂萃取和高温焙烧,无法实现在完全消除稳定剂的同时有效控制金属纳米粒子的生长,导致催化剂活性下降。因此,如何在消除稳定剂的同时,有效控制金属纳米粒子的生长,是纳米催化材料领域中亟需解决的问题。

        研究者创新性地提出了分步焙烧消除稳定剂的策略,具体过程主要有:(1)先将负载Au纳米粒子胶体的催化剂在氮气下进行高温焙烧,将有机物稳定剂转变成炭层,包覆Au纳米粒子的表面;(2)将Au纳米粒子表面被炭层包覆的催化剂在空气中进行焙烧,暴露Au活性中心,用于各种催化反应(样品标记为Au/TiO2-T)。在此过程中,通过氮气焙烧在Au纳米粒子表面形成的炭层可有效拟制Au纳米粒子在高温条件下的迁移和碰撞,从而抑制Au纳米粒子在空气焙烧过程中的烧结。而且,通过优选稳定剂以及氮气焙烧温度,调变炭层的性质,可强化炭层对Au纳米粒子在空气焙烧中抑制其烧结的作用。作为对比,如果直接将负载Au纳米粒子胶体的催化剂置于空气中高温焙烧时(样品标记为Au/TiO2-T#),Au纳米粒子的烧结程度非常严重。基于上述不同焙烧策略对催化剂中Au纳米粒子的影响,最终导致分步焙烧得到的催化剂对于CO氧化反应的活性要远远高于直接空气焙烧得到的催化剂的活性。
        该研究工作第一作者为詹望成副教授,合作者为美国橡树岭国家实验室戴胜教授,得到了国家重点研发计划和国家重大科学研究计划等项目的资助。同时也是作者继去年在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 16130−16139)上发表关于高热稳定性贵金属纳米催化剂制备方面的工作之后,取得的又一个突破性研究结果。