离子液体辅助合成贵金属和硫化铜纳米材料及其催化应用

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离子液体(ILs)作为一种潜在“绿色”反应介质,因有传统溶剂无法比拟的优点而备受关注,在有机合成、萃取分离及纳米材料制备等诸多领域有广阔的应用前景。尤其是在纳米材料制备方面,与常规的溶剂相比,离子液体表现出许多独特的性质,经常用于制备性能优异的纳米材料。而在诸多的纳米材料中,贵金属和硫化铜纳米材料凭借其独特的光、热、电、磁等方面的物理特性在众多领域都扮演着重要的角色,尤其是在催化领域有着举足轻重的地位。众所周知,贵金属和硫化铜纳米材料的催化性能与其组成、尺寸和表面结构密切相关。目前,虽然贵金属和硫化铜纳米材料的制备得到了迅速发展,但寻求更加高效、可控和环境友好的制备方法仍然是贵金属和硫化铜纳米材料合成的重要研究方向之一。本课题旨在借助离子液体的优良特性,采用液相合成法制备贵金属和硫化铜纳米材料。主要研究内容如下:1.借助功能化离子液体氯化1-羟乙基-3-甲基咪唑([HEmim]Cl),于室温设计了一种简单、快速、经济的单锅法制备纳米多孔金。结果表明,3D多孔金是由直径约为40 nm的Au纳米链构成。而且经过检测发现,多孔金的比表面积高达22.77 m2g-1,且存在大孔、中孔及微孔等多种孔隙结构。此外,在多孔金晶体中也有许多缺陷,主要包括孪晶界面、边缘裸露原子和非晶态结构。这些结果表明,[HEmim]Cl在指导多孔金的生长和组装过程中发挥着重要的调控作用。此外,ILs的浓度、还原剂用量和反应温度也在一定程度上也影响着多孔金的形貌和结构。此外,制备得多孔金在对硝基苯酚的还原和亚甲基蓝的降解过程中均表现出较好的催化活性,整个反应分别需要14 min和8 min。2.提出了一种简便的离子液体调控方法,用于制备具有超支化对称结构的AuPd纳米枝晶。结果表明AuPd枝晶有明显的多层次分级结构:即直径为2.54.0μm初级3D花状结构;二级2D叶片结构,三级对称侧分支结构和四级对称的小花瓣结构。此外,还研究了不同实验因素对AuPd产物形貌和性能的影响。显而易见的是,Au/Pd原子比和氯化1-丁基-3-甲基咪唑([C4mim]Cl)的浓度对AuPd枝晶的形成都至关重要。同时,所制备的AuPd枝晶对有机染料(亚甲蓝和刚果红)的降解和对硝基芳烃(对硝基苯酚和对硝基苯胺)的还原均表现出良好的催化活性。更重要的是,在六次循环催化实验后,超支化AuPd枝晶的催化活性几乎没有下降且枝晶的形貌结构保持不变,证明由[C4mim]Cl调控合成的超支化AuPd枝晶在催化过程能保持较高的催化活性和稳定性。3.采用常见的离子液体氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑([C16mim]Cl)调控多孔PtPd纳米颗粒的生长和组装。所制备的多孔Pt25Pd75纳米颗粒有明显的层次结构,以纳米花作为亚基结构,以纳米短棒作为基本单位。多孔Pt25Pd75纳米颗粒比表面积高达56.83 m2g-1、多种孔结构及Pt与Pd之间存在的电子效应。在催化氨硼烷水解产氢反应中,与其它不同Pt/Pd比的纳米颗粒及商用Pt/C相比,多孔Pt25Pd75纳米颗粒具有显著的催化活性和较高的稳定性。经过计算得知多孔Pt25Pd75纳米颗粒的活化能Ea和周转频率TOF分别为29.06 kJ/mol和69.76mol H2/molmetal/min。4.采用溴化1-癸基-3-甲基咪唑([C10mim]Br)辅助的水热合成方法制备出由纳米片组装的CuS纳米墙。对所制备的CuS纳米墙进行了系统的表征和分析以及研究一系列因素对其形貌和结构的影响。CuS纳米墙是由许多宽度为0.52.5μm,厚度约为36 nm的纳米薄片以不同的方向相互交叉组成。而这些薄片又是由粒径为820 nm的纳米粒子组成,CuS纳米墙的厚度约为2μm。同时发现离子液体的烷基链长及阳离子结构在指导CuS纳米墙的合成过程中发挥着非常重要的作用。此外,合成的CuS纳米墙在催化高氯酸铵(AP)的热分解方面显示出较高的催化活性。
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