尺寸可控、高热稳定性有序介孔碳Au催化剂的合成

王帅 王杰 朱小娟 王建强 Osamu Terasaki 万颖

引用本文: 王帅, 王杰, 朱小娟, 王建强, Osamu Terasaki, 万颖. 尺寸可控、高热稳定性有序介孔碳Au催化剂的合成[J]. 催化学报, 2016, 37(1): 61-72. doi: 10.1016/S1872-2067(15)60917-2 shu
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 shu

尺寸可控、高热稳定性有序介孔碳Au催化剂的合成

    通讯作者: 万颖
  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展计划(973计划, 2013CB934102) (973计划, 2013CB934102)

    国家自然科学基金(21322308, 21173149) (21322308, 21173149)

    教育部创新团队发展计划(PCSIRT-IRT1269) (PCSIRT-IRT1269)

    教育部高等学校博士学科点基金(20123127110004) (20123127110004)

    上海市科委和教委基金(11JC1409200, DZL123, S30406). (11JC1409200, DZL123, S30406)

摘要: 纳米Au催化剂被认为是具有商业价值的用于醇选择氧化的第二代催化剂.这是因为Au氧化还原电势高,化学稳定性好,可抑制易使Pt族元素中毒的胺等的毒化;其次,对于一些特定选择氧化和还原反应而言,具有较优的反应选择性.目前较多的研究集中在调变Au纳米颗粒与氧化物载体的相互作用,获得协同效应.例如,利用CeO2纳米晶为载体,沉积Au纳米颗粒(约3 nm),使CeO2部分还原为非计量比的催化材料,活化氧并获得高选择氧化性能.碳是相对惰性的载体,与Au相互作用力弱,因此可被用于研究Au纳米颗粒本征催化性能.但负载碳金催化剂在焙烧甚至还原过程中易团聚,且在反应中易流失,可能导致活性下降.利用胶体沉积法可获得介孔碳担载纳米Au催化剂,对葡萄糖选择氧化具有很高的催化活性和选择性.但是,制备中使用的保护剂残留经常被忽略.由于立体效应或电子结构调变作用,保护剂可能影响Au催化剂活性或稳定性.
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

    1. [1] G. J. Hutchings, J. Catal., 1985, 96, 292.[1] G. J. Hutchings, J. Catal., 1985, 96, 292.

    2. [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. [3] M. Haruta, Nature, 2005, 437, 1098.[3] M. Haruta, Nature, 2005, 437, 1098.

    4. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [22] L. Prati, M. Rossi, J. Catal., 1998, 176, 552.[22] L. Prati, M. Rossi, J. Catal., 1998, 176, 552.

    23. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [43] A. Balerna, S. Mobilio, Phys. Rev. B, 1986, 34, 2293.[43] A. Balerna, S. Mobilio, Phys. Rev. B, 1986, 34, 2293.

    44. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [50] S. Suzer, Appl. Spectrosc., 2000, 54, 1716.[50] S. Suzer, Appl. Spectrosc., 2000, 54, 1716.

    51. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [57] M. Choi, R. Ryoo, Nat. Mater., 2003, 2, 473.[57] M. Choi, R. Ryoo, Nat. Mater., 2003, 2, 473.

    58. [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.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  1355
  • HTML全文浏览量:  191
文章相关
  • 收稿日期:  2015-03-03
  • 网络出版日期:  2015-05-08
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章