CN103816898B - 一种具有核壳结构的AuRh纳米粒子负载型催化剂、制备方法 - Google Patents

一种具有核壳结构的AuRh纳米粒子负载型催化剂、制备方法 Download PDF

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Abstract

一种具有核壳结构的AuRh纳米粒子负载型催化剂、制备方法，属于纳米催化剂技术领域。球形或/和海胆状类球形形貌的AuRh纳米粒子负载于载体Y上，AuRh纳米粒子为一种壳核结构，核为Au，Rh为壳。首先利用种子生长法制备出金纳米球，然后利用连续还原法制备了AuRh纳米粒子，最后采用等体积浸渍法制备得到AuRh/Y催化剂，制备过程简单，反应条件容易控制，产物的形貌单一，粒度均匀，且产量高，制备出的AuRh/Y催化剂对CO氧化反应具有良好的催化活性。

Description

一种具有核壳结构的AuRh纳米粒子负载型催化剂、制备方法
技术领域
本发明涉及一种从具有核壳结构的AuRh纳米粒子出发制备出AuRh/Y负载型催化剂的方法，属于纳米催化剂技术领域。
背景技术
工业的发展如同一把双刃剑，在改善和方便人们生活的同时也带来很多负面影响，其中对环境的污染越来越多的影响的人们的生活和工作。随着汽车保有量井喷式增长，汽车尾气作为当前主要的移动污染源，其中CO、NOX、HC为汽车尾气主要污染物，严重影响大气环境质量和人们的生活。目前，汽车尾气排放控制技术是借助三效催化转化器，将CO、NOX、HC等污染物无害化，达到污染物排放控制的目的。在三效催化转化器中，催化剂的选择尤为关键，三效催化剂是由活性组分和载体组成，活性组分一般为贵金属。当前，贵金属资源的短缺和价格的日益飙升，以及日益严格的汽车尾气排放标准，使得减少三效催化剂中贵金属的用量，同时提高催化剂的低温活性迫在眉睫。
纳米粒子由于具有区别于宏观物体的特殊物理化学性质，能表现出良好的催化活性而被用来制备高效低成本的三效催化剂。2007年10月初，马自达和尼桑公司分别宣布已经掌握纳米TWC制备技术并已成功制备出贵金属粒子粒度不大于5nm的TWC。其中，尼桑公司声称可以减少贵金属用量50％以上，催化剂具有非常好的高温稳定性，而马自达公司宣布可以减少贵金属用量的70-90%。据称马自达公司准备将该纳米TWC技术应用到马自达3汽车上。北京工业大学纳米科学与催化化学研究室利用自主发明的纳米催化剂的制备方法——超声膜扩散法（UAMR），制备了一系列纳米贵金属（合金）催化剂，例如,制备了Au1-xRhx/γ-Al2O3三效催化剂,并以三效催化反应的模型反应（CO氧化，HC氧化，ＮO+CO和NO＋HC＋O2反应）评价了该体系纳米催化剂的活性，初步的研究结果表明：对于上述三效模型反应在保持活性不下降的前提下，可以减少66％以上的Rh用量，在相同金属负载量的情况下，三个模型反应的起燃温度均有不同程度的降低。但是，迄今为止，还未见相关从具有核壳结构的AuRh纳米粒子出发制备AuRh/Y负载型催化剂及其三效催化活性的报道。
近年来，核壳结构的双金属纳米粒子成为一个研究的热点。由于核与壳之间的协同作用会改善催化性能，贵金属纳米粒子的核壳结构对研发高效低成本的三效催化剂具有重要的意义。目前，关于AuRh纳米粒子的文献为数不多，Z.Y.Li课题组（R.L.Chantry.etal,J.Phys.Chem.C,2012,116,10312-10317）将金纳米棒水溶液，抗坏血酸水溶液和Na3RhCl6水溶液混合，在40℃水浴搅拌反应1h实现了铑在金纳米棒上的包裹。SimonM.Humphrey课题组(S.Garcia.etal,Chem.Commun,2013,49,4241-4243)以乙二醇作为还原剂，RhCl3为铑源，PVP为保护剂，采用微波辅助加热法制备出多面体形貌的AuRh纳米粒子。但是，迄今为止，还未见制备出球形和海胆状类球形形貌的AuRh纳米粒子。
贵金属催化剂在汽车尾气净化中的应用一直受到人们的很大关注。但贵金属Pt、Pd和Rh价格昂贵而且资源日益枯竭,所以降低三效催化剂的贵金属用量和制造成本是目前急需解决的问题。
本发明描述的方法是分三步合成负载型三效催化剂，首先利用种子生长法制备出金纳米球，然后利用连续还原法制备了AuRh纳米粒子，最后采用等体积浸渍法制备得到负载型AuRh/Y三效催化剂。迄今为止，还未见相关从具有该形貌的核壳结构的AuRh纳米粒子出发制备的AuRh/Y负载型催化剂及其三效催化活性的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供球形或/和海胆状类球形形貌的AuRh纳米粒子，以及将其负载于载体上得到一种AuRh/Y负载型纳米催化剂的制备方法。
AuRh/Y催化剂，其特征在于，球形或/和海胆状类球形形貌的AuRh纳米粒子负载于载体Y上，载体Y选自γ-Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2,Ce1-xZrxO2（x=0～1.0）、分子筛、高岭土或粘土；AuRh纳米粒子为一种壳核结构，其核为Au纳米粒子，Rh为外壳。
所述的AuRh/Y催化剂制备方法，其特征在于，包括如下步骤：首先制备Au纳米球，将金纳米球溶液离心，移去上层清液，并重新分散在高纯水中，超声，依次加入可水溶性Rh盐水溶液、保护剂水溶液、新制备的还原剂水溶液，加热沸腾并搅拌至溶液变成棕黑色，使得Rh盐充分还原，将上述所得AuRh纳米粒子溶液离心，移去上层清液，重新分散在高纯水中，超声，等体积浸渍载体Y，将所得产物置于80℃烘箱中过夜，在马弗炉中500℃焙烧4h。
保护剂、新制备的还原剂在混合后的溶液中的摩尔比例比优选3：4～3：2。
本发明的负载AuRh催化剂的化学分子表达式为AuRh/Y，优选Au:Rh的摩尔比可以是5:1～1:2，优选1:1。
本发明制备Au纳米球原料可以是AuCl3，HAuCl4，Au(NO3)3；可水溶性Rh盐选自RhCl3·nH2O，H3RhCl6，Rh2O3·nH2O，Rh(NO3)3·nH2O，Rh2(CH3CO2)3，Rh(NO3)3。
所述的还原剂为NaBH4、抗坏血酸。
所述的保护剂为CTAB、PVP。
AuRh纳米粒子的负载量可根据需要进行调节AuRh纳米粒子的分散液浓度，AuRh纳米粒子的负载量优选0.5%～1%。
得到的催化剂进行TEM观察，并选取尾气处理三效反应中的模型反应（CO氧化反应）进行催化剂活性测试。
本发明制备出的AuRh纳米粒子呈现球形和类球形形貌，不同于之前AuRh纳米粒子的形貌。制备过程简单，反应条件容易控制，产物的形貌单一，粒度均匀，且产量高。
本发明的有益效果是：
本发明制备的AuRh/Y催化剂对CO氧化反应具有良好的催化活性，在汽车尾气排放控制领域具有良好的应用前景，在同等催化活性条件下，本发明所用的Rh含量低，制备出的AuRh/Y（Y=金属氧化物）纳米催化剂对一氧化碳的氧化具有很好的活性，可以用来代替贵金属Rh催化剂，以降低三效催化剂的成本。
附图说明
图1为实施例所制得的AuRh（Au:Rh=5:1、2:1、1:1、1;2）纳米粒子的TEM照片；
图2为实施例所制得的AuRh（Au:Rh=1:2）纳米粒子的TEM-EDS图。
图3为实施例所制得的AuRh/γ-Al2O3（Au:Rh=1:1）样品的TEM照片
图4为实施例所制得的AuRh/γ-Al2O3（Au:Rh=1:1）样品的CO氧化反应活性曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明予以说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：
1.金纳米球的制备
将1.5ml0.01MHAuCl4水溶液加入到30ml0.1M的柠檬酸钠水溶液中，调节溶液总体积为61.5ml，混合均匀。一次性加入1.8ml0.1M的冰水浴中冷却的NaBH4水溶液，溶液立即变成桃红色，25℃水浴中搅拌2-4小时。将4.5ml0.01M的HAuCl4水溶液加入到144ml0.1M的CTAB水溶液，调节溶液总体积为180ml，加入1.2ml0.1M新制备的抗坏血酸水溶液，混合均匀，溶液变为无色，加入上述金种子溶液，25℃水浴中搅拌10min，溶液由无色变为酒红色。
2.AuRh纳米粒子的制备
将上述金纳米球溶液24000r/h离心30min，移去上层清液，重新分散在5ml高纯水中，依次加入6ml0.002MRhCl3水溶液，59ml0.1M的CTAB水溶液，20ml0.2M新制备的抗坏血酸水溶液，调节溶液总体积为90ml。溶液中金纳米球、可水溶性Rh盐、保护剂、新制备的还原剂在混合后的溶液中的摩尔比例为5：1：3：2，140℃油浴中搅拌40min，溶液由酒红色变为棕黑色，得到Au：Rh摩尔比为5：1的AuRh纳米粒子。
3.AuRh/γ-Al2O3催化剂的制备
将上述AuRh纳米粒子溶液24000r/h离心30min，移去上层清液，重新分散在10ml高纯水中，超声，等体积浸渍1.782g的载体γ-Al2O3，将所得产物置于80℃烘箱中过夜，在马弗炉中500℃焙烧4h，AuRh纳米粒子的负载量为1%。
实施例2：
1.金纳米球的制备
同上。
2.AuRh纳米粒子的制备
将上述金纳米球溶液24000r/h离心30min，移去上层清液，重新分散在5ml高纯水中，依次加入15ml0.002MRhCl3水溶液，50ml0.1M的CTAB水溶液，20ml0.2M新制备的抗坏血酸水溶液，调节溶液总体积为90ml，溶液中金纳米球、可水溶性Rh盐、保护剂、新制备的还原剂在混合后的溶液中的摩尔比例为2：1：5：4，140℃油浴中搅拌40min，溶液由酒红色变为棕黑色，得到Au：Rh摩尔比为2：1的AuRh纳米粒子。
3.AuRh/γ-Al2O3催化剂的制备
将上述AuRh纳米粒子溶液24000r/h离心30min，移去上层清液，重新分散在10ml高纯水中，超声，等体积浸渍1.782g的载体γ-Al2O3，将所得产物置于80℃烘箱中过夜，在马弗炉中500℃焙烧4h。AuRh纳米粒子的负载量为1%。
实施例3：
1.金纳米球的制备
同上。
2.AuRh纳米粒子的制备
将上述金纳米球溶液24000r/h离心30min，移去上层清液，重新分散在5ml高纯水中，依次加入30ml0.002MRhCl3水溶液，35ml0.1M的CTAB水溶液，20ml0.2M新制备的抗坏血酸水溶液，调节溶液总体积为90ml，溶液中金纳米球、可水溶性Rh盐、保护剂、新制备的还原剂在混合后的溶液中的摩尔比例为1：1：3.5：4。140℃油浴中搅拌40min，溶液由酒红色变为棕黑色，得到Au：Rh摩尔比为1：1的AuRh纳米粒子。
3.AuRh/γ-Al2O3催化剂的制备
将上述AuRh纳米粒子溶液24000r/h离心30min，移去上层清液，重新分散在10ml高纯水中，超声，等体积浸渍1.782g的载体γ-Al2O3，将所得产物置于80℃烘箱中过夜，在马弗炉中500℃焙烧4h。AuRh纳米粒子的负载量为1%。
实施例4：
1.金纳米球的制备
同上。
2.AuRh纳米粒子的制备
将上述金纳米球溶液24000r/h离心30min，移去上层清液，重新分散在5ml高纯水中，依次加入60ml0.002MRhCl3水溶液，5ml0.7M的CTAB水溶液，20ml0.2M新制备的抗坏血酸水溶液，调节溶液总体积为90ml，溶液中金纳米球、可水溶性Rh盐、保护剂、新制备的还原剂在混合后的溶液中的摩尔比例为1：2：3：4。140℃油浴中搅拌40min，溶液由酒红色变为棕黑色，得到Au：Rh摩尔比为1：2的AuRh纳米粒子。
3.AuRh/γ-Al2O3催化剂的制备
将上述AuRh纳米粒子溶液24000r/h离心30min，移去上层清液，重新分散在10ml高纯水中，超声，等体积浸渍1.782g的载体γ-Al2O3，将所得产物置于80℃烘箱中过夜，在马弗炉中500℃焙烧4h。AuRh纳米粒子的负载量为1%。
图4样品AuRh/γ-Al2O3（Au:Rh=1:1）的CO氧化反应活性曲线的测试条件：反应气组成为CO（1%），He（79%），O2（20%）。样品用量为500mg，反应空速为20000h-1。

Claims (8)

1.一种AuRh/Y催化剂，其特征在于，球形或/和海胆状类球形形貌的AuRh纳米粒子负载于载体Y上，载体Y选自γ-Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、Ce1-xZrxO2、分子筛或粘土；AuRh纳米粒子为一种壳核结构，其核为Au纳米粒子，Rh为外壳，x＝0～1.0。
2.权利要求1的一种AuRh/Y催化剂，其特征在于，Au:Rh的摩尔比是5:1～1:2。
3.权利要求1的一种AuRh/Y催化剂，其特征在于，Au:Rh的摩尔比为1:1。
4.制备权利要求1的AuRh/Y催化剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：首先制备Au纳米球，将Au纳米球溶液离心，移去上层清液，并重新分散在高纯水中，超声，依次加入可水溶性Rh盐水溶液、保护剂水溶液、新制备的还原剂水溶液，加热沸腾并搅拌至溶液变成棕黑色，使得Rh盐充分还原，将上述所得AuRh纳米粒子溶液离心，移去上层清液，重新分散在高纯水中，超声，等体积浸渍载体Y，将所得产物置于80℃烘箱中过夜，在马弗炉中500℃焙烧4h，所述的保护剂为CTAB或PVP。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，保护剂、新制备的还原剂在混合后的溶液中的摩尔比例比为3：4～3：2。
6.按照权利要求4的方法，其特征在于，制备Au纳米球的原料选自AuCl3、HAuCl4或Au(NO3)3；可水溶性Rh盐选自RhCl3·nH2O、H3RhCl6、Rh2O3·nH2O、Rh(NO3)3·nH2O、Rh2(CH3CO2)3或Rh(NO3)3。
7.按照权利要求4的方法，其特征在于，所述的还原剂为NaBH4或抗坏血酸。
8.按照权利要求4的方法，其特征在于，AuRh纳米粒子的负载量为0.5％～1％。
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