Pt纳米晶的生物分子调控制备及加氢性能研究

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催化加氢技术具有绿色、高效、经济的特点,被广泛应用于石油化工和精细化工领域。纳米尺度的贵金属由于具有较高的比表面积,较强的H2吸附解离性能,成为加氢催化剂最常用的活性组分之一。本研究围绕纳米贵金属加氢催化剂的生物分子调控合成展开研究,考察了温和条件下利用生物分子调控制备的贵金属纳米晶催化性能。首先使用生物小分子(腺嘌呤及对应的核苷、核苷酸等)为调控剂,室温水相下制备了一系列Pt纳米晶。实验系统研究了前驱体种类、还原剂种类、调控剂种类及用量等因素对Pt纳米晶催化剂加氢性能的影响,获得了高效加氢催化剂的制备条件:K2PtCl4为前驱体,NaBH4为还原剂,脱氧腺苷为调控剂且最终浓度为0.15 mg/m L。调控剂分子中存在-OH时,Pt纳米晶的加氢活性一般较高;调控剂分子中含有-H2PO4时,Pt纳米晶的活性一般较差。进而选择葡聚糖、木质素等含-OH较多的生物大分子进行调控,同样制备出具有高活性的Pt纳米晶,但其稳定性较差,放置22 h之后,催化性能就大幅度降低。为解决纳米晶易团聚、稳定性较差等问题,对葡聚糖、木质素调控制备的Pt纳米晶进行负载处理,选择碳材料(碳粉、还原氧化石墨烯、碳纳米管)为载体。研究发现,当葡聚糖调控的Pt纳米晶原位负载到还原氧化石墨烯上时,催化剂在放置17天后,其催化性能依然保持90%以上。随后,为提高Pt在碳材料上的分散程度,对碳载体进行了掺氮改性,发现碳纳米管在进行掺氮改性以后,加氢性能有了很大的提升。当氮掺杂碳纳米管作为载体原位负载葡聚糖调控的Pt纳米晶时,相比未掺氮的碳纳米管作为载体得到的催化剂,Pt纳米晶的分散程度及加氢活性大大增加。最后对负载型催化剂金属-载体界面调控机制和不同金属的活性共性规律进行了深入地探究。研究表明使用PDA进行金属-载体界面调控后,所有贵金属催化剂活性均有一定的提升,如Pt/DA-SBA-15催化对硝基苯酚的NaBH4还原反应的速率常数是Pt/SBA-15作为催化剂时速率常数的19.6倍。通过将反应动力学实验数据和反应物吸附能密度泛函理论(DFT)计算结果相关联,发现PDA的调控机制是通过优化负载型催化剂的吸附能从而提高催化活性。随后,结合大量文献数据,揭示了催化剂吸附能和反应速率常数之间的“火山形”依赖关系且不同金属的催化行为均符合Br?nsted-Evans-Polanyi规律。催化剂对反应物分子的最优结合能大约为0.78 eV。PDA的界面调控机制具有普适性,适用于不同的金属和载体类型,为高效负载型加氢催化剂的制备提供了理论基础与实验指导。
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