镍基纳米复合结构及其催化特性研究

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jianming_zhang
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纳米催化剂由于具有独特的晶体结构和表面特性,同时兼具比表面积大、表面活性高等特点,从而表现出许多传统催化剂无法比拟的优异特性。其中磁性纳米催化剂在保持高效纳米催化活性的同时,还具有易于磁性分离和重复使用特性,开辟了纳米催化剂应用研究的新领域。基于此本论文以磁性镍基纳米材料为核心,主要采用简单易于重复的湿法化学方法制备多功能镍基纳米催化剂,并应用于催化有机染料的降解及硝基化合物的氢化还原。首先设计Ni-Cu2O纳米线催化剂,以超长Ni纳米线为复合材料的骨架有助于反应过程中的电子转移过程,但以镍作为主体由于磁性较强而影响催化剂在溶液中的分散性。通过结构上的改进,我们构建负载型镍基纳米催化剂RGO-Ni-Au,所制备的纳米催化剂在电子诱导的氢化还原反应中表现出加速电子转移的催化性能。在此结构基础上,我们通过优化催化活性组分来进一步改善催化性能并降低制备成本,以氮掺杂多孔碳为载体并选取导电性良好的金属铜与镍进行复合制备无贵金属的NHC-CuNi催化剂,其催化NaBH4还原对硝基苯酚反应的活性高于部分已报道的贵金属纳米催化剂。具体研究进展如下:(1)通过原位还原制备的磁性Ni-Cu2O异质纳米线具有光催化增强性能。Ni-Cu2O异质纳米线的催化活性明显高于Cu2O纳米粒子,二者对应的表观速率常数(kapp)分别为3.42×10-2 min-1和1.57×10-2 min-1。复合后催化效率提高是由于Ni纳米线的一维结构有助于电子远距离传输及其引起的电子冷阱效应,能够促进光催化过程中Cu2O纳米粒子的光生电子和空穴(e--h+)有效分离。(2)经过结构上改进,制备的磁性可回收RGO-Ni-Au负载型纳米复合物对NaBH4还原对硝基苯酚和降解有机染料的反应均表现出高效催化活性。其中RGO-Ni-Au-6h性能最佳,相应催化活性参数及表观速率常数分别为36.77 s-1g-1和1.103×10-2 s-1。此外,RGO-Ni-Au具有良好的稳定性,经过6次循环催化测试后催化剂的性能和形貌均没有明显的改变。催化活性增强的原因一方面是还原氧化石墨烯载体具有电子转移增强作用,另一方面是贵金属与磁性过渡金属之间的协同效应。(3)通过对负载型催化剂组分进行优化,采用原位一步还原法制备NHC-CuNi负载型催化剂,其催化硝基化合物氢化还原的反应速率常数为RGO-Ni-Au-6h的2.8倍,提升至3.14×10-2 s-1。并且循环使用次数增至12次,虽然经过多次使用后反应速率常数降至2.2×10-2 s-1,但其催化活性仍明显优于部分已报道的贵金属纳米粒子催化剂。“载体效应”探究表明,相比于RGO载体,NHC的介孔结构有利于催化过程中的离子扩散,并且由于含有吡咯氮而具有更优异的电荷迁移性及电子供体-受体特性。
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