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纳米金催化剂是一类新型的工业和环保催化材料。自从1989年Haruta等发现TiO2和Fe2O3等氧化物负载Au催化剂具有非常高的活性以来,氧化物负载Au催化剂在许多重要化学反应中表现出优异的催化活性和选择性。特别是金低温催化CO氧化的性能在氢燃料电池、封闭式CO2激光器、汽车尾气处理器以及CO防毒面具等许多领域具有广泛的应用前景。但目前尚未实现工业化,制约其发展的主要因素是其活性和稳定性有待提高。近年来,探讨影响金催化剂活性的因素,尤其是载体对活性的影响,是非常活跃的研究领域。
本论文以CeO2、Fe2O3和MnO2为载体,通过控制合成的方法分别得到不同形貌、晶相、颗粒尺寸的氧化物;采用XRD、氮物理吸附、TEM等手段表征了载体的微结构;详细研究了载体的形貌、晶相和颗粒尺寸对金催化剂在CO氧化反应中的活性影响。为避免金活性组分的影响,论文选用胶体沉积法将尺寸均一的金属态金纳米粒子负载到氧化物表面。
论文首先通过水热合成法制备出棒状、立方体、多面体形貌的CeO2纳米粒子。负载金后催化测试结果表明:在CO氧化反应中,棒状和多面体形状的CeO2表现出较好的催化活性,而立方体形状的CeO2基本没有表现出催化活性。这可能是因为不同形貌的CeO2暴露的晶面不同,金粒子在CeO2载体的{111}晶面上活性最高,在{110}晶面上稳定性最好,且兼具高活性,在{100}晶面上活性最低。
论文进一步通过氨基酸辅助的水热合成法制备了具有三种不同尺寸的纺锤形和菱形Fe2O3纳米粒子。结果表明氨基酸的种类强烈影响Fe2O3纳米粒子的形貌,在酸性氨基酸中容易形成纺锤形的Fe2O3,而在碱性氨基酸中则有助于菱面体的Fe2O3。催化测试结果表明表面粗糙的纺锤形Fe2O3负载金纳米粒子表现出更好的催化活性;对于载体形貌相同的金催化剂,可能存在着与金颗粒尺寸相匹配的载体最佳尺寸。
论文最后通过水热合成法制备出a、β、γ、d相的MnO2纳米粒子。其中a、β、γ相形貌相似,均为棒状;d相为花状形貌。负载金催化剂之前,a、γ、d相MnO2催化活性相近,在200-250℃可以将CO完全转化为CO2,β相则基本没有催化活性。负载金后的催化测试结果表明,β相MnO7负载的金催化剂活性显著提高,CO在70℃就可以完全催化转化。其中a相MnO2负载金催化剂具有最好的催化活性。