CN103638924A - 钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料及其制备方法与应用。该制备方法包括以下步骤：将碳纳米管、醋酸钯、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物作为气液辉光等离子体反应的阴极；在氩气压力为150-300Pa的氩气气氛下，电压为220-250V，电流为0.01-0.05A的条件下，进行气液辉光等离子体反应10-15分钟后，制备得到粗产物；对该粗产物进行洗涤、超声、离心分离、干燥后，得到所述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料由上述方法制备得到。本发明还提供该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料在Suzuki偶联反应制备联苯衍生物中作为催化剂的应用。

Description

钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料及其制备方法与应用，属于纳米材料技术领域。

背景技术

钯作为一种贵金属，在化学、化工催化领域具有广泛的应用。然而，由于金属纳米粒子在制备及应用过程中容易团聚，可控制备单分散的钯纳米粒子较为困难。一般的处理方法是将钯纳米粒子负载于某一载体上。碳纳米管具有比较大的长径比，可为催化剂提供更多的催化活性表面。而且，碳纳米管不具备多孔性并且尺寸比较小，非常有利于反应产物快速离开催化剂表面，可以减少第二反应的发生，使催化剂具有更高的选择性。此外，碳纳米管具有更好的力学性能和化学稳定性，可以在恶劣的反应环境下及强酸或强碱体系下得到应用等特性，其逐渐被广泛用作催化剂的载体。

目前，钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法包括：超临界CO₂流体法、微乳液法、电化学沉积法以及表面活性剂自还原法等。虽然这些方法可以成功地将钯纳米粒子负载到碳纳米管表面，但是仍存在各种缺陷。

因此，研发出一种新型的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法，仍是本领域亟待解决的问题之一。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法。该制备方法制备得到的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料具有钯纳米粒子粒径小且分散均匀等优点。

本发明的目的还在于提供一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。

本发明的目的还在于提供一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料在Suzuki偶联反应制备联苯衍生物中作为催化剂的应用。

为达上述目的，本发明提供一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

将碳纳米管、醋酸钯、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物作为气液辉光等离子体反应的阴极；在氩气压力为150-300Pa的氩气气氛下，电压为220-250V，电流为0.01-0.05A的条件下，进行气液辉光等离子体反应10-15分钟后，制备得到钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的粗产物；对所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的粗产物进行洗涤、超声、离心分离、干燥后，得到所述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。

在上述的制备方法中，优选地，所述碳纳米管、醋酸钯、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的用量比为50mg:(2.2mg-70.8mg):1mL。更优选地，所述碳纳米管、醋酸钯、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的用量比为：50mg:2.2mg:1mL、50mg:5.6mg:1mL、50mg:11.8mg:1mL、50mg:26.5mg:1mL、50mg:45.4mg:1mL或50mg:70.8mg:1mL，分别制备原料Pd：原料碳纳米管的质量比为1:49、1:19、1:9、2:8、3:7或4:6的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。

在上述的制备方法中，优选地，所述碳纳米管为多壁氧化碳纳米管，其长度为10-30μm，直径为20-40nm。该多壁氧化碳纳米管是采用本领域常规使用的氧化方法对多壁碳纳米管进行氧化而得到的。该氧化方法可以为常规的浓硝酸和浓硫酸混合溶液氧化方法。

在上述的制备方法中，优选地，气液辉光等离子体反应的阳极为不锈钢板。

在上述的制备方法中，对粗产物进行洗涤可以采用乙醇，洗涤、超声和离心分离的次数可以由本领域技术人员进行常规的调控，一般可以为三次。所述干燥的温度可以为60℃，时间可以为6-12h。

在上述的制备方法中，所采用的气液辉光等离子体反应设备可以为本领域常规采用的气液辉光等离子体反应设备。比如，该气液辉光等离子体反应设备可以为一不锈钢炉，该不锈钢炉中具有不锈钢板阳极，以及盛放有碳纳米管、醋酸钯、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物的不锈钢容器阴极，阳极和阴极之间的距离可以为2-6mm。在该气液辉光等离子体反应中，辉光等离子体由直流电源向阴极供电而产生，并以氩气作为等离子体的发生气体。

根据本发明的具体实施方式，优选地，上述的制备方法包括以下步骤：（1）、将碳纳米管、醋酸钯、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物置于不锈钢容器中，将该不锈钢容器作为气液辉光等离子体反应的阴极；（2）、将该不锈钢容器安装入不锈钢炉内，并安装不锈钢板阳极，向该不锈钢炉内通入氩气，并将阴极接通直流电源，在氩气压力为150-300Pa的氩气气氛下，电压为220-250V，电流为0.01-0.05A的条件下，进行气液辉光等离子体反应10-15分钟后，将电压和电流调节为0，并将气压恢复到常压，制备得到钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的粗产物；（3）、对所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的粗产物采用乙醇洗涤、然后进行超声和离心分离，重复乙醇洗涤、超声和离心分离三次后，进行干燥，得到所述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。

本发明还提供一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料，其是由上述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法所制备得到的。

在上述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料中，优选地，所述钯纳米粒子的粒径为3-7nm。更优选地，所述钯纳米粒子的粒径为3-5nm。

在上述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料中，优选地，以所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的总重量为基准，所述钯纳米粒子的含量为1.93-32.83%。更优选地，所述钯纳米粒子的含量为1.93%、4.38%、9.31%、17.22%、26.89%或32.83%。

本发明还提供上述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料在Suzuki偶联反应制备联苯衍生物中作为催化剂的应用。

在上述的应用中，优选地，所述Suzuki偶联反应制备联苯衍生物的方法包括以下步骤：在80-100℃下、使苯硼酸和对溴苯乙酮的乙醇溶液以及碳酸钾水溶液在所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的存在下反应4-12h，制备得到联苯衍生物。

在上述的应用中，优选地，以100mmol对溴苯乙酮为基准，所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料中钯纳米粒子的用量为0.02-1mmol。

在上述的应用中，苯硼酸、对溴苯乙酮和碳酸钾均为制备联苯衍生物常规采用的原料，其用量为本领域技术人员公知的。优选地，苯硼酸、对溴苯乙酮和碳酸钾的摩尔比为1:1:2-1.5:1:8。所采用的溶剂乙醇以及水的使用量可以由本领域技术人员进行常规的调控，只要能使反应顺利进行即可。

根据本发明的具体实施方式，优选地，在上述应用中，所述Suzuki偶联反应制备联苯衍生物的方法采用微通道反应器进行，使所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料填装到微通道反应器中，然后使苯硼酸和对溴苯乙酮的乙醇溶液以及碳酸钾水溶液在该微通道反应器中进行接触并反应，从而制备得到联苯衍生物。更优选地，所述Suzuki偶联反应制备联苯衍生物的装置包括一个微通道反应器、两个注射器、两个微量注射泵以及一个产物盛放容器，微通道反应器的一端通过管线和三通分别连接两个注射器，微通道反应器的另一端通过管线连接产物盛放容器，两个微量注射泵分别连接于两个注射器。采用该装置的Suzuki偶联反应制备联苯衍生物的方法包括以下步骤：（1）、将所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料填装到微通道反应器中；（2）、将苯硼酸和对溴苯乙酮的乙醇溶液装入到一个注射器中，将碳酸钾水溶液装入到另一个注射器中；（3）将微通道反应器的温度调节到80-100℃，通过两个微量注射泵控制两个注射器的进样速度，使苯硼酸和对溴苯乙酮的乙醇溶液以及碳酸钾水溶液在微通道反应器中接触并反应4-12h，产物联苯衍生物从微通道反应器流出进入产物盛放容器，制备得到联苯衍生物。

本发明的制备方法采用气液辉光等离子体技术制备得到了钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。本发明的气液辉光等离子体法制备金属纳米粒子的方法具有不需要额外添加还原剂、不需要搅拌、可室温制备、易大规模生产等优点。制备得到的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料具有钯纳米粒子粒径小且分散均匀、对Suzuki偶联反应制备联苯衍生物的催化活性高以及反应结束后催化剂易回收等优点。

附图说明

图1为实施例1-6的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备装置示意图。

图2为实施例7的Suzuki偶联反应制备联苯衍生物的装置示意图。

图3为实施例1的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的选区电子衍射图。

图4为实施例1的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的X射线衍射图。

图5为实施例1的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的扫描电子显微镜照片。

图6为实施例2的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的扫描电子显微镜照片。

图7为实施例3的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的扫描电子显微镜照片。

图8为实施例4的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的扫描电子显微镜照片。

图9为实施例5的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的扫描电子显微镜照片。

图10为实施例6的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的扫描电子显微镜照片。

主要组件符号说明：

微通道反应器 1    第一注射器 2    第二注射器 3  第一微量注射泵 4

第二微量注射泵 5  产物盛放容器 6

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。

制备该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料所采用的装置为气液辉光等离子体反应设备，如图1所述，该气液辉光等离子体反应设备为一不锈钢炉，该不锈钢炉为内径70mm的圆柱体，并且具有4个可视玻璃窗口，该不锈钢炉中具有位于炉膛中靠上位置的不锈钢板阳极，以及位于炉膛中靠下位置的盛放有碳纳米管、醋酸钯、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物的不锈钢容器阴极，阳极和阴极之间的距离为2-6mm，阴极连接直流电源（KIKUSUI PMC500V-0.1A）。

该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法包括以下步骤：

（1）、将碳纳米管、醋酸钯、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物置于不锈钢容器中，其中，碳纳米管和醋酸钯的用量分别为50mg和11.8mg（碳纳米管与Pd的质量比为9:1），1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的用量为1mL，所述碳纳米管为多壁氧化碳纳米管，其长度为10-30μm，直径为20-40nm，该多壁氧化碳纳米管为采用常规的浓硝酸和浓硫酸混酸氧化方法对多壁碳纳米管进行氧化而得到，将该不锈钢容器作为气液辉光等离子体反应的阴极；

（2）、将该不锈钢容器安装入不锈钢炉内，并安装不锈钢板阳极，向该不锈钢炉内通入氩气，并将阴极接通直流电源，在氩气压力为290Pa的氩气气氛下，电压为220-250V，电流为0.02A的条件下，进行气液辉光等离子体反应10分钟后，将电压和电流调节为0，并将气压恢复到常压，制备得到钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的粗产物；

（3）、对所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的粗产物采用乙醇洗涤、然后进行超声和离心分离，重复乙醇洗涤、超声和离心分离三次后，进行干燥，干燥的温度为60℃，时间为6-12h，得到所述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。

对制备得到的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料进行电子衍射分析、X射线衍射（XRD）分析以及扫描电子显微镜分析。所得的选区电子衍射图如图3所示，X射线衍射图如图4所示，扫描电子显微镜照片如图5所示。由图3可以看出，石墨炭和钯纳米粒子的晶面所对应的衍射斑。由图4可以看出，2θ=26.5°，43.2°，54.2°，77.7°的峰对应石墨碳的衍射峰，2θ=40.1°，46.7°，68.7°的峰对应单质钯的衍射峰，因此，本实施例确实制备得到了钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。由图5可以看出，钯纳米粒子的粒径为3-5nm，钯纳米粒子的粒径小，分散均匀。

实施例2

本实施例提供一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。制备该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料所采用的装置为实施例1中所述的装置。

该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，不同之处在于：碳纳米管和醋酸钯的用量分别为50mg和2.2mg（碳纳米管与Pd的质量比为49:1）。

对制备得到的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料进行扫描电子显微镜分析，所得的扫描电子显微镜照片如图6所示。由图6可以看出，钯纳米粒子的粒径为4-6nm，钯纳米粒子的粒径小，分散均匀。

实施例3

本实施例提供一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。制备该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料所采用的装置为实施例1中所述的装置。

该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，不同之处在于：碳纳米管和醋酸钯的用量分别为50mg和5.6mg（碳纳米管与Pd的质量比为19:1）。

对制备得到的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料进行扫描电子显微镜分析，所得的扫描电子显微镜照片如图7所示。由图7可以看出，钯纳米粒子的粒径为5-7nm，钯纳米粒子的粒径小，分散均匀。

实施例4

本实施例提供一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。制备该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料所采用的装置为实施例1中所述的装置。

该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，不同之处在于：碳纳米管和醋酸钯的用量分别为50mg和26.5mg（碳纳米管与Pd的质量比为8:2）。

对制备得到的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料进行扫描电子显微镜分析，所得的扫描电子显微镜照片如图8所示。由图8可以看出，钯纳米粒子的粒径为2-4nm，钯纳米粒子的粒径小，分散均匀。

实施例5

本实施例提供一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。制备该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料所采用的装置为实施例1中所述的装置。

该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，不同之处在于：碳纳米管和醋酸钯的用量分别为50mg和45.4mg（碳纳米管与Pd的质量比为7:3）。

对制备得到的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料进行扫描电子显微镜分析，所得的扫描电子显微镜照片如图9所示。由图9可以看出，钯纳米粒子的粒径为5-7nm，钯纳米粒子的粒径小，分散均匀。

实施例6

本实施例提供一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。制备该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料所采用的装置为实施例1中所述的装置。

该钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，不同之处在于：碳纳米管和醋酸钯的用量分别为50mg和70.8mg（碳纳米管与Pd的质量比为6:4）。

对制备得到的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料进行扫描电子显微镜分析，所得的扫描电子显微镜照片如图10所示。由图10可以看出，钯纳米粒子的粒径为2-4nm，钯纳米粒子的粒径小，分散均匀。

实施例7

本实施例提供实施例1的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料在Suzuki偶联反应制备联苯衍生物中作为催化剂的应用。

本实施例的Suzuki偶联反应制备联苯衍生物所采用的装置如图2所示，其包括微通道反应器1、第一注射器2、第二注射器3、第一微量注射泵4、第二注射微量注射泵5、以及产物盛放容器6，微通道反应器1的一端通过管线和三通分别连接第一注射器2和第二注射器3，微通道反应器1的另一端通过管线连接产物盛放容器6，第一微量注射泵4和第二微量注射泵5分别连接于第一注射器2和第二注射器3。

该Suzuki偶联反应制备联苯衍生物的方法包括以下步骤：

（1）、将所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料填装到微通道反应器1中；

（2）、将苯硼酸和对溴苯乙酮的乙醇溶液装入到第一注射器2中，将碳酸钾水溶液装入到第二注射器3中；

（3）将微通道反应器1的温度调节到80℃，通过第一微量注射泵4和第二微量注射泵5控制第一注射器2和第二注射器3的进样速度，使苯硼酸和对溴苯乙酮的乙醇溶液以及碳酸钾水溶液在微通道反应器1中接触并反应4-12h，产物联苯衍生物从微通道反应器1流出进入产物盛放容器6，从而实现联苯衍生物的连续化制备；以1mmol对溴苯乙酮为基准，钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料中钯纳米粒子的用量为0.01mmol，苯硼酸、对溴苯乙酮和碳酸钾的摩尔比为1.5:1:8。

反应结束后，将催化剂从微通道反应器中取出，依次经过乙醇、丙酮洗涤，离心，干燥即可回收利用。所得的产物联苯衍生物经过乙酸乙酯萃取和饱和食盐水洗涤后，再经硅胶柱粗过滤，即得到提纯后的产品。经计算得出提纯后的产品的产率为99%，说明实施例1的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的催化活性高。

实施例8

本实施例提供实施例2的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料在Suzuki偶联反应制备联苯衍生物中作为催化剂的应用。

本实施例的Suzuki偶联反应制备联苯衍生物所采用的装置以及方法与实施例7中的装置和方法相同。经计算得出提纯后的产品的产率为90%，说明实施例2的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的催化活性高。

实施例9

本实施例提供实施例3的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料在Suzuki偶联反应制备联苯衍生物中作为催化剂的应用。

本实施例的Suzuki偶联反应制备联苯衍生物所采用的装置以及方法与实施例7中的装置和方法相同。经计算得出提纯后的产品的产率为92%，说明实施例3的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的催化活性高。

实施例10

本实施例提供实施例4的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料在Suzuki偶联反应制备联苯衍生物中作为催化剂的应用。本实施例的Suzuki偶联反应制备联苯衍生物所采用的装置以及方法与实施例7中的装置和方法相同。

经计算得出提纯后的产品的产率为89%，说明实施例4的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的催化活性高。

实施例11

本实施例提供实施例5的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料在Suzuki偶联反应制备联苯衍生物中作为催化剂的应用。

本实施例的Suzuki偶联反应制备联苯衍生物所采用的装置以及方法与实施例7中的装置和方法相同。经计算得出提纯后的产品的产率为94%，说明实施例5的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的催化活性高。

实施例12

本实施例提供实施例6的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料在Suzuki偶联反应制备联苯衍生物中作为催化剂的应用。

本实施例的Suzuki偶联反应制备联苯衍生物所采用的装置以及方法与实施例7中的装置和方法相同。经计算得出提纯后的产品的产率为98%，说明实施例6的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的催化活性高。

Claims (10)

1.一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

将碳纳米管、醋酸钯、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物作为气液辉光等离子体反应的阴极；在氩气压力为150-300Pa的氩气气氛下，电压为220-250V，电流为0.01-0.05A的条件下，进行气液辉光等离子体反应10-15分钟后，制备得到钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的粗产物；对所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的粗产物进行洗涤、超声、离心分离、干燥后，得到所述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述碳纳米管、醋酸钯、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的用量比为50mg:(2.2mg-70.8mg):1mL。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述碳纳米管为多壁氧化碳纳米管，其长度为10-30μm，直径为20-40nm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，气液辉光等离子体反应的阳极为不锈钢板。

5.一种钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料，其是由权利要求1-4任一项所述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的制备方法所制备得到的。

6.根据权利要求5所述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料，其中，所述钯纳米粒子的粒径为3-7nm。

7.根据权利要求5所述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料，其中，以所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的总重量为基准，所述钯纳米粒子的含量为1.93-32.83%。

8.权利要求5-7任一项所述的钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料在Suzuki偶联反应制备联苯衍生物中作为催化剂的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其中，所述Suzuki偶联反应制备联苯衍生物的方法包括以下步骤：在80-100℃下、使苯硼酸和对溴苯乙酮的乙醇溶液以及碳酸钾水溶液在所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料的存在下反应4-12h，制备得到联苯衍生物。

10.根据权利要求9所述的应用，其中，以100mmol对溴苯乙酮为基准，所述钯纳米粒子修饰的碳纳米管复合材料中钯纳米粒子的用量为0.02-1mmol。

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