Citation: Shuai Wang, Jie Wang, Xiaojuan Zhu, Jianqiang Wang, Osamu Terasaki, Ying Wan. Size-control growth of thermally stable Au nanoparticles encapsulated within ordered mesoporous carbon framework[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2016, 37(1): 61-72. doi: 10.1016/S1872-2067(15)60917-2
尺寸可控、高热稳定性有序介孔碳Au催化剂的合成
我们前期建立了反应单体参与的自组装技术合成功能化介孔碳路线,一步在介孔碳骨架中掺杂氧化物纳米催化剂.本文从介孔催化材料的结构出发,设计“镶嵌”在碳骨架中的纳米Au颗粒.采用配位作用辅助表面活性剂自组装技术,以苯酚和甲醛为碳前体,引入含巯基硅烷偶联剂,通过配位作用稳定金离子,获得尺寸可控介孔碳限域纳米Au催化剂.低温炭化中,由于巯基-金的配位作用阻抑金属移动或团聚,高温下聚合物炭化为相对刚性的碳骨架.此时,Au纳米颗粒被相邻介孔孔墙限制.硅烷偶联剂可除去,不影响碳载体,并可产生丰富二级孔道,获得多级孔道介孔碳材料.
X射线衍射和透射电镜结果显示,所合成的催化剂中Au颗粒的尺寸可控,为3-18nm,且具有单分散性,均匀地分散在整个介孔碳骨架中,其含量为1.1-9.0wt%.金碳催化剂具有有序的二维六方介孔结构.能量散射谱(EDX)也证明了催化剂只含有C,O和Au元素,没有S和Si元素的残留.X射线光电子能谱(XPS)结果显示催化剂表面的Au含量远远低于ICP的测试结果,也证明了Au纳米颗粒分布在介孔碳骨架内,同时只含有C,O和Au元素也与EDX相符.X射线近边吸收谱结果表明,随着颗粒尺寸的减小,Au表面电子性质发生改变.N2吸脱附等温线显示,有序介孔碳金催化剂具有典型的第IV型曲线,说明孔径分布范围较窄,主孔道尺寸为3.4-5.7nm.值得注意的是,低压力段吸附量显示明显突跃,暗示其具有一套约为2 nm的次级介孔.所有的催化剂都具有高的比表面积(1269-1743m2/g)和大的孔体积(0.79-1.38cm3/g).Au纳米颗粒具有高的热稳定性,在惰性气氛中,即使在600℃也未见明显聚集长大.
进一步讨论了合成中影响金纳米颗粒尺寸的重要影响因素.(1)巯基含量:通过调节巯基组分的含量,可以调控催化剂中Au纳米颗粒的尺寸(9-18nm).需要强调的是,Au纳米颗粒尺寸与巯基在新合成材料中的浓度有关,当巯基含量在所研究的范围中时(1.55-3.06mmol/g),Au纳米颗粒尺寸仅仅与巯基浓度有关,而与Au浓度无关.(2)硫酸预炭化处理:新合成的材料经过一步硫酸预炭化处理,可以得到尺寸为3 nm的有序介孔碳金催化剂.表征结果证明,经过硫酸预碳化处理,大量表面活性剂被除去,同时聚合物载体发生部分碳化,有助于在后续高温炭化中保护3 nm金颗粒不团聚.尺寸可控、高热稳定性、无配体保护的有序介孔碳负载Au催化剂有望应用在催化和传感器等领域.
English
Size-control growth of thermally stable Au nanoparticles encapsulated within ordered mesoporous carbon framework
-
Key words:
- Gold nanoparticles
- / Size
- / Carbon
- / Mesoporous
-
-
[1] G. J. Hutchings, J. Catal., 1985, 96, 292.[1] G. J. Hutchings, J. Catal., 1985, 96, 292.
-
[2] M. Haruta, T. Kobayashi, H. Sano, N. Yamada, Chem. Lett., 1987, 405.[2] M. Haruta, T. Kobayashi, H. Sano, N. Yamada, Chem. Lett., 1987, 405.
-
[3] M. Haruta, Nature, 2005, 437, 1098.[3] M. Haruta, Nature, 2005, 437, 1098.
-
[4] M. McEntee, W. Tang, M. Neurock, J. T. Yates Jr, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 5116.[4] M. McEntee, W. Tang, M. Neurock, J. T. Yates Jr, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 5116.
-
[5] W. Zhu, Y. J. Zhang, H. Zhang, H. Lv, Q. Li, R. Michalsky, A. A. Peterson, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 16132.[5] W. Zhu, Y. J. Zhang, H. Zhang, H. Lv, Q. Li, R. Michalsky, A. A. Peterson, S. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 16132.
-
[6] Z. Y. Zhang, Y. Wang, X. Li, W. L. Da, Chin. J. Catal., 2014, 35, 1846.[6] Z. Y. Zhang, Y. Wang, X. Li, W. L. Da, Chin. J. Catal., 2014, 35, 1846.
-
[7] S. Fountoulaki, V. Daikopoulou, P. L. Gkizis, I. Tamiolakis, G. S. Armatas, I. N. Lykakis, ACS Catal., 2014, 4, 3504.[7] S. Fountoulaki, V. Daikopoulou, P. L. Gkizis, I. Tamiolakis, G. S. Armatas, I. N. Lykakis, ACS Catal., 2014, 4, 3504.
-
[8] G. Li, D. E. Jiang, S. Kumar, Y. X. Chen, R. C. Jin, ACS Catal., 2014, 4, 2463.[8] G. Li, D. E. Jiang, S. Kumar, Y. X. Chen, R. C. Jin, ACS Catal., 2014, 4, 2463.
-
[9] G. Li, R. C. Jin, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 11347.[9] G. Li, R. C. Jin, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 11347.
-
[10] H. Wei, X. Wei, X. Yang, G. Yin, A. Wang, X. Liu, Y. Huang, T. Zhang, Chin. J. Catal., 2015, 36, 160.[10] H. Wei, X. Wei, X. Yang, G. Yin, A. Wang, X. Liu, Y. Huang, T. Zhang, Chin. J. Catal., 2015, 36, 160.
-
[11] V. I. Sobolev, K. Y. Koltunov, Appl. Catal. A, 2014, 476, 197.[11] V. I. Sobolev, K. Y. Koltunov, Appl. Catal. A, 2014, 476, 197.
-
[12] W. S. Lee, M. C. Akatay, E. A. Stach, F. H. Ribeiro, W. N. Delgass, J. Catal., 2014, 313, 104.[12] W. S. Lee, M. C. Akatay, E. A. Stach, F. H. Ribeiro, W. N. Delgass, J. Catal., 2014, 313, 104.
-
[13] G. Li, D. E. Jiang, C. Liu, C. Yu, R. Jin, J. Catal., 2013, 306, 177.[13] G. Li, D. E. Jiang, C. Liu, C. Yu, R. Jin, J. Catal., 2013, 306, 177.
-
[14] S. Shabbir, Y. Lee, H. Rhee, J. Catal., 2015, 322, 104.[14] S. Shabbir, Y. Lee, H. Rhee, J. Catal., 2015, 322, 104.
-
[15] X. Feng, X. Duan, G. Qian, X. Zhou, D. Chen, W. Yuan, J. Catal., 2014, 317, 99.[15] X. Feng, X. Duan, G. Qian, X. Zhou, D. Chen, W. Yuan, J. Catal., 2014, 317, 99.
-
[16] S. Gil, N. Cuenca, A. Romero, J. L. Valverde, L. Sánchez-Silva, Appl. Catal. A, 2014, 472, 11.[16] S. Gil, N. Cuenca, A. Romero, J. L. Valverde, L. Sánchez-Silva, Appl. Catal. A, 2014, 472, 11.
-
[17] N. T. Khoa, S. W. Kim, D. H. Yoo, E. J. Kim, S. H. Hahn, Appl. Catal. A, 2014, 469, 159.[17] N. T. Khoa, S. W. Kim, D. H. Yoo, E. J. Kim, S. H. Hahn, Appl. Catal. A, 2014, 469, 159.
-
[18] G. R. Zhang, B. Q. Xu, Chin. J. Catal., 2013, 34, 942.[18] G. R. Zhang, B. Q. Xu, Chin. J. Catal., 2013, 34, 942.
-
[19] A. Goguet, C. Hardacre, I. Harvey, K. Narasimharao, Y. Saih, J. Sa, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6973.[19] A. Goguet, C. Hardacre, I. Harvey, K. Narasimharao, Y. Saih, J. Sa, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6973.
-
[20] H. Zhang, B. Dai, W. Li, X. Wang, J. Zhang, M. Zhu, J. Gu, J. Catal., 2014, 316, 141.[20] H. Zhang, B. Dai, W. Li, X. Wang, J. Zhang, M. Zhu, J. Gu, J. Catal., 2014, 316, 141.
-
[21] L Prati, A Villa, A R Lupini, G M. Veith, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 2969.[21] L Prati, A Villa, A R Lupini, G M. Veith, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 2969.
-
[22] L. Prati, M. Rossi, J. Catal., 1998, 176, 552.[22] L. Prati, M. Rossi, J. Catal., 1998, 176, 552.
-
[23] T. Yoskamtorn, S. Yamazoe, R. Takahata, J. Nishigaki, A. Thivasasith, J. Limtrakul, T. Tsukuda, ACS Catal., 2014, 4, 3696.[23] T. Yoskamtorn, S. Yamazoe, R. Takahata, J. Nishigaki, A. Thivasasith, J. Limtrakul, T. Tsukuda, ACS Catal., 2014, 4, 3696.
-
[24] C. Fernandes, C. Pereira, A. Guedes, S. L. H. Rebelo, C. Freire, Appl. Catal. A, 2014, 486, 150.[24] C. Fernandes, C. Pereira, A. Guedes, S. L. H. Rebelo, C. Freire, Appl. Catal. A, 2014, 486, 150.
-
[25] F. Porta, L. Prati, M Rossi, S Coluccia, G. Martra, Catal. Today, 2000, 61, 165.[25] F. Porta, L. Prati, M Rossi, S Coluccia, G. Martra, Catal. Today, 2000, 61, 165.
-
[26] C. L. Bianchi, S. Biella, A. Gervasini, L. Prati, M. Rossi, Catal. Lett., 2003, 85, 91.[26] C. L. Bianchi, S. Biella, A. Gervasini, L. Prati, M. Rossi, Catal. Lett., 2003, 85, 91.
-
[27] M. L. Toebes, Y. H. Zhang, J. Hajek, T. A. Nijhuis, J. H. Bitter, A. J. van Dillen, D. Y. Murzin, D. C. Koningsberger, K. P. de Jong, J. Catal., 2004, 226, 215.[27] M. L. Toebes, Y. H. Zhang, J. Hajek, T. A. Nijhuis, J. H. Bitter, A. J. van Dillen, D. Y. Murzin, D. C. Koningsberger, K. P. de Jong, J. Catal., 2004, 226, 215.
-
[28] R. Y. Zhong, K. Q. Sun, Y. C. Hong, B. Q. Xu, ACS Catal., 2014, 4, 3982.[28] R. Y. Zhong, K. Q. Sun, Y. C. Hong, B. Q. Xu, ACS Catal., 2014, 4, 3982.
-
[29] R. Y. Zhong, X. H. Yan, Z. K. Gao, R. J. Zhang, B. Q. Xu, Catal. Sci. Technol., 2013, 3, 3013.[29] R. Y. Zhong, X. H. Yan, Z. K. Gao, R. J. Zhang, B. Q. Xu, Catal. Sci. Technol., 2013, 3, 3013.
-
[30] M. T. Bore, H. N. Pham, E. E. Switzer, T. L. Ward, A. Fukuoka, A. K. Datye, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 2873.[30] M. T. Bore, H. N. Pham, E. E. Switzer, T. L. Ward, A. Fukuoka, A. K. Datye, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 2873.
-
[31] K. K. R. Datta, B. V. S. Reddy, K. Ariga, A. Vinu, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 5961.[31] K. K. R. Datta, B. V. S. Reddy, K. Ariga, A. Vinu, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 5961.
-
[32] S. Jun, S. H. Joo, R. Ryoo, M. Kruk, M. Jaroniec, Z. Liu, T. Ohsuna, O. Terasaki, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122: 10712.[32] S. Jun, S. H. Joo, R. Ryoo, M. Kruk, M. Jaroniec, Z. Liu, T. Ohsuna, O. Terasaki, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122: 10712.
-
[33] F. Kerdi, V. Caps, A. Tuel, Microporous Mesoporous Mater., 2011, 140: 89.[33] F. Kerdi, V. Caps, A. Tuel, Microporous Mesoporous Mater., 2011, 140: 89.
-
[34] Y. Meng, D. Gu, F. Q. Zhang, Y. F. Shi, H. F. Yang, Z. Li, C. Z. Yu, B. Tu, D. Y. Zhao, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 7053.[34] Y. Meng, D. Gu, F. Q. Zhang, Y. F. Shi, H. F. Yang, Z. Li, C. Z. Yu, B. Tu, D. Y. Zhao, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 7053.
-
[35] S. Wang, Q. Zhao, H. Wei, J. Q. Wang, M. Cho, H. S. Cho, O. Terasaki, Y. Wan, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 11849.[35] S. Wang, Q. Zhao, H. Wei, J. Q. Wang, M. Cho, H. S. Cho, O. Terasaki, Y. Wan, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 11849.
-
[36] E. Besson, A. Mehdi, C. Reye, R. J. P. Corriu, J. Mater. Chem., 2009, 19, 4746.[36] E. Besson, A. Mehdi, C. Reye, R. J. P. Corriu, J. Mater. Chem., 2009, 19, 4746.
-
[37] L. Chen, J. Hu, R. Richards, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 914.[37] L. Chen, J. Hu, R. Richards, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 914.
-
[38] B. Lee, H. Zhu, Z. Zhang, S. H. Overbury, S. Dai, Microporous Mesoporous Mater., 2004, 70, 71.[38] B. Lee, H. Zhu, Z. Zhang, S. H. Overbury, S. Dai, Microporous Mesoporous Mater., 2004, 70, 71.
-
[39] P. Wu, P. Bai, Z. Lei, K. P. Loh, X. S. Zhao, Microporous Mesoporous Mater., 2011, 141, 222.[39] P. Wu, P. Bai, Z. Lei, K. P. Loh, X. S. Zhao, Microporous Mesoporous Mater., 2011, 141, 222.
-
[40] H. Zhu, B. Lee, S. Dai, S. H. Overbury, Langmuir, 2003, 19, 3974.[40] H. Zhu, B. Lee, S. Dai, S. H. Overbury, Langmuir, 2003, 19, 3974.
-
[41] S. Wang, J. Wang, Q. Zhao, D. Li, J. Q. Wang, M. Cho, H. Cho, O. Terasaki, S. Chen, Y. Wan, ACS Catal., 2014, 4, 797.[41] S. Wang, J. Wang, Q. Zhao, D. Li, J. Q. Wang, M. Cho, H. Cho, O. Terasaki, S. Chen, Y. Wan, ACS Catal., 2014, 4, 797.
-
[42] X. Zhuang, Q. Zhao, Y. Wan, J. Mater. Chem., 2010, 20, 4715.[42] X. Zhuang, Q. Zhao, Y. Wan, J. Mater. Chem., 2010, 20, 4715.
-
[43] A. Balerna, S. Mobilio, Phys. Rev. B, 1986, 34, 2293.[43] A. Balerna, S. Mobilio, Phys. Rev. B, 1986, 34, 2293.
-
[44] I. Coulthard, S. Degen, Y. J. Zhu, T. K. Sham, Can. J. Chem., 1998, 76, 1707.[44] I. Coulthard, S. Degen, Y. J. Zhu, T. K. Sham, Can. J. Chem., 1998, 76, 1707.
-
[45] L. F. Mattheiss, R. E. Dietz, Phys. Rev. B, 1980, 22, 1663.[45] L. F. Mattheiss, R. E. Dietz, Phys. Rev. B, 1980, 22, 1663.
-
[46] J. T. Miller, A. J. Kropf, Y. Zha, J. R. Regalbuto, L. Delannoy, C. Louis, E. Bus, J. A. van Bokhoven, J. Catal., 2006, 240, 222.[46] J. T. Miller, A. J. Kropf, Y. Zha, J. R. Regalbuto, L. Delannoy, C. Louis, E. Bus, J. A. van Bokhoven, J. Catal., 2006, 240, 222.
-
[47] X. Zhuang, Y. Wan, C. Feng, Y. Shen, D. Zhao, Chem. Mater., 2009, 21, 706.[47] X. Zhuang, Y. Wan, C. Feng, Y. Shen, D. Zhao, Chem. Mater., 2009, 21, 706.
-
[48] Y. Wan, H. Wang, Q. Zhao, M. Klingstedt, O. Terasaki, D. Zhao, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 4541[48] Y. Wan, H. Wang, Q. Zhao, M. Klingstedt, O. Terasaki, D. Zhao, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 4541
-
[49] R. Liu, Y. Shi, Y. Wan, Y. Meng, F. Zhang, D. Gu, Z. Chen, B. Tu, D. Zhao, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 11652.[49] R. Liu, Y. Shi, Y. Wan, Y. Meng, F. Zhang, D. Gu, Z. Chen, B. Tu, D. Zhao, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 11652.
-
[50] S. Suzer, Appl. Spectrosc., 2000, 54, 1716.[50] S. Suzer, Appl. Spectrosc., 2000, 54, 1716.
-
[51] A. H. Lu, J. J. Nitz, M. Comotti, C. Weidenthaler, K. Schlichte, C. W. Lehmann, O. Terasaki, F. Schüth, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 14152.[51] A. H. Lu, J. J. Nitz, M. Comotti, C. Weidenthaler, K. Schlichte, C. W. Lehmann, O. Terasaki, F. Schüth, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 14152.
-
[52] W. Wang, H. Y. Wang, W. Wei, Z. G. Xiao, Y. Wan, Chem. Eur. J., 2011, 17, 13461.[52] W. Wang, H. Y. Wang, W. Wei, Z. G. Xiao, Y. Wan, Chem. Eur. J., 2011, 17, 13461.
-
[53] A. B. Laursen, K. T. Hojholt, L. F. Lundegaard, S. B. Simonsen, S. Helveg, F. Schueth, M. Paul, J. D. Grunwaldt, S. Kegnoes, C. H. Christensen, K. Egeblad, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 3504.[53] A. B. Laursen, K. T. Hojholt, L. F. Lundegaard, S. B. Simonsen, S. Helveg, F. Schueth, M. Paul, J. D. Grunwaldt, S. Kegnoes, C. H. Christensen, K. Egeblad, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 3504.
-
[54] P. M. Arnal, M. Comotti, F. Schueth, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 8224.[54] P. M. Arnal, M. Comotti, F. Schueth, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 8224.
-
[55] S. Ungureanu, M. Birot, G. Laurent, H. Deleuze, O. Babot, B. Julián-López, M. F. Achard, M. I. Popa, C. Sanchez, R. Backov, Chem. Mater., 2007, 19, 5786.[55] S. Ungureanu, M. Birot, G. Laurent, H. Deleuze, O. Babot, B. Julián-López, M. F. Achard, M. I. Popa, C. Sanchez, R. Backov, Chem. Mater., 2007, 19, 5786.
-
[56] K. Wilson, A. F. Lee, D. J. Macquarrie, J .H. Clark, Appl. Catal. A, 2002, 228, 127.[56] K. Wilson, A. F. Lee, D. J. Macquarrie, J .H. Clark, Appl. Catal. A, 2002, 228, 127.
-
[57] M. Choi, R. Ryoo, Nat. Mater., 2003, 2, 473.[57] M. Choi, R. Ryoo, Nat. Mater., 2003, 2, 473.
-
[58] R. Ryoo, S. H. Joo, S. Jun, J. Phys. Chem. B, 1999, 103, 7743.[58] R. Ryoo, S. H. Joo, S. Jun, J. Phys. Chem. B, 1999, 103, 7743.
-
-
扫一扫看文章
计量
- PDF下载量: 0
- 文章访问数: 1355
- HTML全文浏览量: 191

下载: