贵金属纳米粒子可控分布的功能化金属有机骨架复合纳米催化剂的制备及其性能的研究

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金属有机骨架(Metal-organic frameworks,简称MOFs)材料因其多孔性、高的比表面积、组成和结构的多样性在许多领域中有重要的研究及应用价值。近年来越来越多的研究集中在纳米尺度控制MOFs晶体所构筑的超级结构,比如空心结构、薄膜和核壳结构等多层级结构等。在MOFs纳米超级结构基础上,MOFs材料与功能纳米粒子(Nanoparticles,简称NPs)复合形成复合材料NPs/MOFs,兼具了MOFs材料的多孔性和NPs的功能性而具有巨大的潜在研究与应用价值。贵金属纳米粒子(Nobel metal nanoparticles,简称NMNPs)作为一种具有高活性的催化剂常被负载于MOFs材料中,不仅可以避免NMNPs自身易团聚的缺点,二者的结合往往还可获得协同作用。为了探究NMNPs在MOFs中的分布位置及分布层数对NMNPs型MOFs复合纳米催化剂催化性能的影响,在本文中,我们选用MIL-100(Fe)这种具有孔径大、比表面积高、路易斯酸位点丰富以及水稳定性和化学稳定性优异等特点的MOFs材料作为载体,通过开发一种更为简便的“多次生长法:Multiple growth method”实现Pt纳米粒子(Pt NPs)在MIL-100(Fe)中的可控负载。为了提高复合材料在实际应用中的回收利用率,我们还选用了磁性四氧化三铁(Fe3O4)微球作为MIL-100(Fe)的生长模板以方便复合催化剂的回收再利用。取得的主要研究进展如下:(1)Fe3O4@MIL-100(Fe)系列复合吸附剂的制备——开发“多次生长法”,为MIL-100(Fe)定量负载及后续NMNPs的定位封装提供了一种简单有效方法;通过调控MIL-100(Fe)在Fe3O4微球上的不同生长次数,获得了一系列不同MIL-100(Fe)含量的复合吸附剂;亚甲基蓝(Methylene blue,简称MB)的吸附实验表明MIL-100(Fe)的百分含量越高,吸附效率越高。(2)单层Pt NPs位置可控分布的Fe3O4@MIL-100(Fe)-Pt核壳复合催化剂的制备——采用“多次生长法”将单层Pt NPs插入MIL-100(Fe)内部的指定位置,以研究MIL-100(Fe)内部NMNPs的位置对催化反应的影响。对硝基苯酚催化还原反应的对比测试表明,MIL-100(Fe)内部单层Pt NPs的位置对催化性能有很大影响,单层Pt NPs的位置越靠近MIL-100(Fe)的外表面越能提供更高的催化效率,其机理被认为是:MIL-100(Fe)内部单层Pt NPs的位置主导了反应物的传输途径和Pt NPs的负载量。(3)Pt NPs多层可控分布的Fe3O4@MIL-100(Fe)-Pt系列核壳复合催化剂的制备——使用“多次生长法”在MIL-100(Fe)生长过程中定量负载单层、双层、三层Pt NPs,催化实验的结果证明:多层可控分布的Pt NPs的负载量越高,催化性能越好。
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