生物还原辅助制备钯基纳米材料及其催化应用

来源 :厦门大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yilong_hongru
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由于植物或微生物还原法在制备贵金属纳米材料具有绿色、环保等优点,因而备受研究者关注。其中,利用植物提取液还原法制备纳米材料,植物来源易得,操作简单便捷;而微生物表面的官能团可以吸附和固定金属离子,表面分子的多样性和结构的复杂性,使得微生物可以作为有效模板制备或自组装新颖的纳米结构材料,因此,生物还原法已成为纳米材料制备的一个重要研究方向。为此,本论文研究了微生物法和植物还原法两部分内容。微生物法选择培养生物量比较高的真核生物——毕赤酵母菌为生物吸附剂和还原剂:研究干燥的毕赤酵母菌体表面官能团在未处理和预处理两种条件下,对Pd(Ⅱ)离子的吸附和还原情况,并比较两者制备的Pd/菌体负载型催化剂的催化性能;研究新鲜制备的(湿的)或干燥的毕赤酵母菌体分别在电子供体H2或表面活性剂和温和还原剂存在下,制备的AuPd纳米材料,表征纳米材料的尺寸、形貌和结构等,并探索其催化性能;植物法是选择侧柏叶提取液为还原剂,研究侧柏叶提取液制备蒽醌加氢反应的Pd/γ-Al2O3催化剂,并考察其催化性能,具体的研究内容和结论如下:  首先,以干燥的毕赤酵母菌体为研究对象,考察其对Pd(Ⅱ)离子的吸附条件,包括菌体浓度、吸附温度和溶液pH值。结果表明,干燥的毕赤酵母菌体不能将Pd(Ⅱ)离子100%吸附,其中溶液的pH值对Pd(Ⅱ)离子吸附影响最大,在pH值为2时吸附效果最好;在30℃下,4.0 g/L的菌体溶液对1 mM Pd(Ⅱ)溶液的最高吸附率为68.0±6.9%;通过调节Pd(Ⅱ)浓度(21.2-371 g/L),菌体对Pd(Ⅱ)的最大吸附量可达34.88 mg/g。进一步将菌体进行酸、碱、氨基甲基化和羧基酯化预处理,结果表明,经酸、碱和氨基甲基化处理后的菌体对Pd(Ⅱ)离子的吸附能力明显增强,吸附率接近100%,但其对Pd(Ⅱ)离子的还原能力减弱了;以4-硝基苯酚的还原反应作为模型反应以考察催化剂的催化性能,结果显示,菌体经酸、碱和氨基甲基化预处理后制备的Pd/菌体催化剂比未处理菌体制备的催化剂表现出较好的催化稳定性,这主要是由于采用预处理的毕赤酵母菌体制备得到的催化剂中,Pd纳米颗粒尺寸更小、分散性更好,与菌体的结合力更强造成的。  其次,通过HRTEM和切片TEM表征可知,在电子供体H2的存在下,利用湿的菌体可以一步法制备出在其表面分散均匀的AuPd合金纳米材料。尤其在30℃条件下,将Au和Pd的前驱体按摩尔比为1∶2加入0.9%(w/v)的NaCl溶液,经过湿菌体预吸附两金属离子15 min,成功制备得到了花朵状的AuPd合金纳米材料。通过EDX、XPS和AAS分析可知,在AuPd合金纳米材料的体相和表面,Au和Pd元素的摩尔比同加入的最初比相近。  再次,研究了在干燥的毕赤酵母菌体水溶液体系中引入了表面活性剂CTAC和温和的还原剂AA,构成菌体/CTAC/AA/Au(Ⅲ)Pd(Ⅱ)四元体系,常温下成功制备出具有紧密堆积、结构新颖的包含有一维花梗和三维花朵结构的AuPd合金纳米花。通过HAADF-STEM、EDX、XRD、AAS和XPS等表征,可以得出以下结论:1)Au和Pd两种元素均匀分布于纳米花结构中;2)合金纳米花中Pd和Au摩尔比略低于加入的最初比;3)不同的Pd/Au摩尔比下,Au和Pd的表层电子结合能不同,且得到的AuPd合金纳米材料表现为表面钯富集的结构;4)随着Pd元素比例的增加,纳米花的花梗直径逐渐增大,而花朵的直径逐渐减小,说明Pd元素对纳米线的形成起了关键作用。将该材料应用于1,3-丁二烯选择性加氢反应,结果表明,不同比例的AuPd/毕赤酵母菌催化剂,对1,3-丁二烯选择性加氢反应表现不同的催化活性,经过催化反应条件优化后,反应的选择性和转化率分别可以达到92.6%和98.4%,同时催化剂在25h以内能保持稳定的催化活性。  最后,通过侧柏叶提取液可以制备较高催化活性的2-乙基蒽醌加氢反应的Pd/γ-Al2O3催化剂。当Pd的负载量为0.5 wt.%,反应温度为40℃,氢化时间为1.5 h,工作液体积为10 mL,氢化流速为30 mL/min时,能得到85.6%的双氧水收率。若进一步对载体进行HCl、NaOH、Na2CO3和Na2SiO3溶液处理,能提高双氧水收率,尤其是Na2SiO3溶液处理后,H2O2收率达到最大值,为96.4%。催化剂循环使用8次以后,仍能保持较好的催化活性,未见载体表面Pd纳米颗粒的团聚,且Pd的流失很少。
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