Pt/Pd基纳米催化剂的可控合成及催化醇类氧化的性能研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jtzou
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在众多贵金属纳米材料中,Pt和Pd因在醇类(电)氧化反应中表现出优异的催化性能而备受关注,但由于其储量稀少,价格昂贵,所以Pt、Pd纳米催化剂的高效利用一直是催化领域的研究热点。Pt、Pd纳米晶催化性能的改善依赖于纳米结构可控合成技术的发展以及分子水平上对催化剂构-效关系的认识。目前关于以Pt和Pd为催化活性位点的Pt基和Pd基纳米催化剂的优化,主要聚焦在三个方面:(i)组分调控,即引入廉价3d过渡金属(M,诸如Cu、Fe、Ni等)构成高催化性能的Pt-M和Pd-M复合纳米材料,以此来降低Pt、Pd的使用量从而达到降低催化剂使用成本的目的;(ii)结构设计,即合成利于催化应用的特定形态或结构,使Pt、Pd原子尽量裸露在催化剂表面,以提高Pt、Pd原子的原子利用率,实现经济效益最大化;(iii)载体效应,即选择合适的催化剂载体,通过金属与载体的强相互作用使界面电荷转移、金属结构改变,达到提高活性组分稳定性和催化活性的目的。因此本文以Pt基和Pd基纳米晶为研究对象,以设计高性能催化剂和明确构-效关系为研究目的,围绕材料的微观结构、生长机理和形成因素等进行研究,并探讨其在醇类(电)氧化反应中的催化应用,主要工作如下:(1)PtCu中空纳米环的可控合成及甲醇电氧化性能研究。开发了一种具有高度开放的PtCu中空纳米环结构的“一锅法”合成策略及一种Pt基催化剂表面结构稳定化策略。Pt2+和Cu之间的电流置换反应是形成纳米环结构的关键,并且系统的考察了反应时间、前驱体比例、还原剂种类、结构导向剂种类等因素对形貌结构的影响;将合成的PtCu中空纳米环作为催化剂应用于甲醇电氧化反应中,Pt/Cu原子比为0.75/1的PtCu中空纳米环(r-Pt0.75Cu NRs)展现出优越的催化活性,其质量活性为2.175 A mg Pt-1,比活性为52.26 A m-2,相比于商用的Pt Ru/C-JM催化剂分别提高了4.5倍和6.6倍。微量Ir掺杂能显著提升r-Pt0.75Cu中空纳米环的结构稳定性,实验结果表明Pt0.75Cu中空纳米环表面掺杂原子比为5%的Ir时,其质量活性在强化老化实验后仅降低7.44%,远低于未掺杂Ir的37.76%和Pt Ru/C-JM催化剂的50.27%。本研究工作为设计低成本、高催化性能尤其是超高稳定性的MOR电催化剂开辟了一条新的途径。(2)超薄单斜相二氧化钛烯的合成及在苯甲醇选择性液相氧化中的应用。通过对催化剂活性中心和载体的精准调控,设计了高性能的负载型Pd催化剂用于苯甲醇选择性液相氧化反应中。以钛酸四丁酯为钛源,F127为模板剂,在150℃下水热反应即可得到厚度仅为0.93 nm的超薄单斜相TiO2-B纳米片,其比表面积为350.05 m~2g-1,是商用P25的6倍。以2D TiO2-B为载体,采用浸渍还原法合成Pd质量分数为0.62 wt%的Pd/TiO2-B催化剂,该催化剂中Pd纳米晶的粒径仅为3 nm。所合成的Pd/TiO2-B催化苯甲醇选择性氧化时(120℃,6h)表现出85%的苯甲醇转化率,97%的苯甲醛选择性和82%的苯甲醛收率,均优于以P25,Ce O2,活性碳(C)和氧化石墨烯(GO)为载体的Pd/P25,Pd/Ce O2,Pd/C和Pd/GO催化剂。Pd/TiO2-B催化剂循环6次反应后催化活性没有明显衰弱,表现了优异的催化稳定性,并确定Pd~0是苯甲醇氧化反应的活性中心。
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