CN108187743B - 一种离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。该催化剂的制备首先利用还原剂在聚合物封装剂的存在下将金钯前驱体还原成金钯合金纳米颗粒，加入铝源后经沉淀反应得到纳米金钯合金‑介孔氧化铝核壳结构复合物，其中内核为纳米金钯合金，壳层为介孔氧化铝。最后将纳米金钯合金‑介孔氧化铝核壳结构复合物组装至离子交换树脂上，得到离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。该催化剂具有较强的离子交换性质、较高的催化反应活性和较强的环境耐久性，在污水处理和催化氧化等领域中有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂及其制备方法，属于工业催化技术领域的催化剂制备技术。
背景技术
近年来，随着纳米技术的发展，纳米贵金属催化剂的合成及应用得到了人们的广泛关注。相比于单一纳米贵金属催化剂，纳米贵金属合金催化剂可充分发挥两种贵金属的协同效应，从而在诸多反应中表现出更为优异的催化性能。但是纳米贵金属颗粒的表面活化能较高，在预处理和反应过程中极易发生颗粒的团聚和烧结现象，从而降低了纳米贵金属催化剂的催化活性。如何抑制纳米贵金属颗粒烧结也逐渐成为了一个研究热点。其中最为有效的方法是在纳米贵金属颗粒外包裹一层氧化物壳，形成以纳米贵金属为核、氧化物为壳的核壳结构催化材料。申请号为CN201510872104.6的中国专利公开了一种SiO2-介孔TiO2空心微球封装纳米金催化剂，该专利首先制备SiO2微球，随后在其表面沉积杂多酸盐修饰的纳米金颗粒，制得SiO2/Au复合物，最后在复合物外沉积TiO2从而制得三明治结构的纳米金催化剂。申请号为CN201610359313.5的中国专利申请公开了一种磁性纳米合金与介孔锆钛复合氧化物核壳型催化材料，该专利利用介孔锆钛复合氧化物封装磁性纳米合金，制备出的复合材料具有较高的稳定性。但是这些催化剂在反应过程中，尤其是在液相催化反应中均存在催化剂颗粒流失和难回收的问题。因此，创新催化剂的结构设计、探索催化剂的制备方法，以获得具有高稳定性和可循环使用特性的多功能催化新材料是一项具有重要研究意义的课题。
发明内容
技术问题：
本发明的目的是提供一种离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂及其制备方法。利用介孔氧化铝封装纳米金钯合金颗粒提高贵金属颗粒的稳定性，同时将纳米金钯合金-介孔氧化铝核壳复合物负载于离子交换树脂上，以提高贵金属催化剂的循环使用性能。该离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂兼具较强的离子交换和催化性能，同时具有优异的环境耐久性。
技术方案：
本发明所述的离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂，是以强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂为载体，以纳米金钯合金-介孔氧化铝核壳复合物为活性负载物，其中，活性负载物的内核为金钯合金纳米颗粒，壳层为介孔氧化铝。
优选的，活性负载物与载体的质量比为0.1∶1～0.5∶1。
本发明所述的一种离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在聚合物封装剂的存在下将金钯前驱体溶液还原得到纳米金钯溶胶；
步骤2，加入铝源，经沉淀反应得到纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物，其内核为金钯合金纳米颗粒，外壳为介孔氧化铝；
步骤3，将纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物组装至离子交换树脂上，得到离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。
上述步骤1中，所述纳米金钯溶胶的制备步骤为：室温下，将金前驱体水溶液加入到反应釜中，按钯前驱体与金前驱体的质量比0.1∶1～5∶1，加入钯前驱体，按聚合物封装剂与金前驱体的质量比5∶1～20∶1，加入聚合物封装剂水溶液，搅拌1～4h，再按还原剂与金前驱体的质量比10∶1～20∶1，加入还原剂水溶液，30～100℃下搅拌反应4～10h，离心分离，得纳米金钯合金溶胶。
其中，所述金前驱体为氯金酸或氯金酸钾，钯前驱体为氯化钯或醋酸钯，聚合物封装剂为十六烷基三甲基溴化铵、壳聚糖、聚乙烯吡咯烷酮中的一种，还原剂为柠檬酸三钠、甲酸钠、硼氢化钠中的一种。
上述步骤2中，所述纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物的制备步骤为：
步骤21，室温下，配置纳米金钯合金溶胶水溶液，按无机铝盐与纳米金钯合金溶胶的质量比20∶1～100∶1，加入无机铝盐，得铝离子封装纳米金钯合金水溶液；
步骤22，50～100℃下，按铵盐与无机铝盐的质量比2∶1～5∶1，向上述铝离子封装纳米金钯合金水溶液中缓慢加入铵盐水溶液，搅拌反应1～5h，静置老化6～24h，然后降至室温；
步骤23，过滤、干燥、焙烧，得纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物。
其中，步骤21中，可按纳米金钯合金溶胶与去离子水的质量比0.01∶1～0.05∶1，配置纳米金钯合金溶胶水溶液，所述无机铝盐可为硫酸铝或硝酸铝。
步骤22中，所述的铵盐为碳酸铵或氯化铵。
较优的，步骤23中，用20～100倍铝源质量的去离子水洗涤滤饼，然后在70～100℃下干燥6～10h，500～800℃下焙烧2～8h。
上述步骤3中，由所述纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物制备离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂包括：
步骤31，将强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂分散于去离子水中，按纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物与强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂的质量比0.1∶1～0.5∶1，加入步骤2中制备的纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物，搅拌反应1～5h；
步骤32，过滤，用20～100倍金钯合金纳米颗粒-介孔氧化铝复合物质量的去离子水洗涤滤饼，70～100℃下真空干燥6～10h，得离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。
优选的，步骤31中，按强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂与去离子水的质量比比0.01∶1～0.1∶1，将强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂分散于去离子水中。本步骤中，优选型号为D201或201×7的强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。
有益效果：
本发明公开了一种离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。该催化剂的制备首先利用还原剂在聚合物封装剂的存在下将金钯前驱体溶液还原成纳米金钯溶胶，加入铝源，经沉淀反应得到纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物。其中内核为金钯合金纳米颗粒，外壳为介孔氧化铝。最后将纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物组装至离子交换树脂上，得到离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。该催化剂具有较强的离子交换性质、较高的催化活性和较强的环境耐久性，在污水处理和非均相催化等领域中有较好的应用前景。
本发明的特点为：
(1)该催化剂结合了离子交换树脂和金钯合金纳米颗粒的多功能特性，从而赋予了该催化材料离子交换和贵金属合金的高催化活性的功能特性。
(2)在金钯合金纳米颗粒表面沉积介孔氧化铝，制备出纳米金钯合金-介孔氧化铝核壳复合物，这种结构的复合物不仅能够发挥介孔氧化铝壳的物理封装效应，提高纳米贵金属核的稳定性；同时也有利于发挥纳米金钯合金与氧化铝间的协同作用，提高纳米催化剂的催化性能。
(3)通过将纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物组装到离子交换树脂上，可以增强纳米金钯合金与离子交换树脂间的键合作用，从而可以有效地防止催化剂在后续应用过程中可能发生的贵金属颗粒的流失，更有利于提高贵金属催化剂的稳定性和循环使用性能。
具体实施方式
实施例1：
25℃下，将8mL质量分数为0.5wt％的氯金酸水溶液加入反应釜中，加入8mL质量分数为0.5wt％的氯化钯水溶液，再加入0.20g十六烷基三甲基溴化铵，搅拌反应1h，再加入4mL质量分数为10wt％的硼氢化钠水溶液，30℃下搅拌反应8h，离心分离，得纳米金钯合金溶胶。
25℃下，将0.02g纳米金钯合金溶胶分散于50mL去离子水中，加入0.5g硫酸铝，得铝离子封装纳米金钯合金水溶液；升温至60℃，缓慢加入10mL质量分数为10wt％的碳酸铵，搅拌反应1h，静置老化12h，冷却至25℃；用30mL去离子水洗涤滤饼，100℃下干燥7h，随后放入马弗炉中，600℃下焙烧3h，得纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物。
25℃下，将10g D201大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂分散于120mL去离子水中，加入2.0g上述制备的纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物，搅拌反应1h；过滤，用50mL去离子水洗涤滤饼，80℃下真空干燥7h，得离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。
该催化剂中金钯合金纳米颗粒的平均粒径为10.2nm，材料的比表面积为170.9m2/g，应用于处理高浓度印染废水时COD去除率＞94.0％，5次循环使用后该催化剂的COD去除率＞89.9％。
实施例2：
25℃下，将4mL质量分数为0.5wt％的氯金酸钾水溶液加入反应釜中，加入20mL质量分数为0.2wt％的醋酸钯水溶液，再加入0.3g壳聚糖，搅拌反应1.5h，再加入2.4mL质量分数为10wt％的柠檬酸三钠水溶液，95℃下搅拌反应4h，离心分离，得纳米金钯合金溶胶。
25℃下，0.01g将纳米金钯合金溶胶分散于20mL去离子水中，加入0.5g硝酸铝，得铝离子封装纳米金钯合金水溶液；升温至50℃，缓慢加入20mL质量分数为10wt％的氯化铵，搅拌反应3h，静置老化18h，冷却至25℃；用40mL去离子水洗涤滤饼，80℃下干燥9h，随后放入马弗炉中，550℃下焙烧7h，得纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物。
25℃下，将15g D201大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂分散于150mL去离子水中，加入1.5g上述制备的纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物，搅拌反应1.5h；过滤，用120mL去离子水洗涤滤饼，75℃下真空干燥9h，得离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。
该催化剂中金钯合金纳米颗粒的平均粒径为9.8nm，材料的比表面积为196.3m2/g，应用于处理高浓度印染废水时COD去除率＞96.3％，5次循环使用后该催化剂的COD去除率＞92.3％。
实施例3：
25℃下，将10mL质量分数为0.4wt％的氯金酸水溶液加入反应釜中，加入5mL质量分数为0.1wt％的醋酸钯水溶液，再加入0.30g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌反应2h，再加入5.6mL质量分数为10wt％的甲酸钠水溶液，65℃下搅拌反应6h，离心分离，得纳米金钯合金溶胶。
25℃下，将0.02g纳米金钯合金溶胶分散于40mL去离子水中，加入1.8g硫酸铝，得铝离子封装纳米金钯合金水溶液；升温至85℃，缓慢加入40mL质量分数为15wt％的氯化铵，搅拌反应3h，静置老化20h，冷却至25℃；用90mL去离子水洗涤滤饼，85℃下干燥7.5h，随后放入马弗炉中，750℃下焙烧2h，得纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物。
25℃下，将10g 201×7大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂分散于200mL去离子水中，加入3.0g上述制备的纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物，搅拌反应2.5h；过滤，用150mL去离子水洗涤滤饼，75℃下真空干燥10h，得离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。
该催化剂中金钯合金纳米颗粒的平均粒径为8.8nm，材料的比表面积为229.5m2/g，应用于处理高浓度印染废水时COD去除率＞98.0％，5次循环使用后该催化剂的COD去除率＞94.9％。
实施例4：
25℃下，将8mL质量分数为0.5wt％的氯金酸水溶液加入反应釜中，加入6mL质量分数为0.5wt％的氯化钯水溶液，再加入0.45g十六烷基三甲基溴化铵，搅拌反应3h，再加入4.8mL质量分数为10wt％的柠檬酸三钠水溶液，80℃下搅拌反应6h，离心分离，得纳米金钯合金溶胶。
25℃下，将0.2g纳米金钯合金溶胶分散于50mL去离子水中，加入6g硝酸铝，得铝离子封装纳米金钯合金水溶液；升温至75℃，缓慢加入60mL质量分数为20wt％的碳酸铵，搅拌反应3.5h，静置老化15h，冷却至25℃；用480mL去离子水洗涤滤饼，90℃下干燥8h，随后放入马弗炉中，650℃下焙烧5h，得纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物。
25℃下，将12g D201大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂分散于160mL去离子水中，加入4.2g上述制备的纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物，搅拌反应3h；过滤，用300mL去离子水洗涤滤饼，85℃下真空干燥8.5h，得离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。
该催化剂中金钯合金纳米颗粒的平均粒径为9.7nm，材料的比表面积为183.4m2/g，应用于处理高浓度印染废水时COD去除率＞94.7％，5次循环使用后该催化剂的COD去除率＞91.2％。
实施例5：
25℃下，将4mL质量分数为0.2wt％的氯金酸钾水溶液加入反应釜中，加入5mL质量分数为0.8wt％的氯化钯水溶液，再加入0.15g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌反应3.5h，再加入3.0mL质量分数为5wt％的硼氢化钠水溶液，40℃下搅拌反应9h，离心分离，得纳米金钯合金溶胶。
25℃下，将0.08g纳米金钯合金溶胶分散于25mL去离子水中，加入1.9g硝酸铝，得铝离子封装纳米金钯合金水溶液；升温至70℃，缓慢加入40mL质量分数为15wt％的氯化铵，搅拌反应4h，静置老化9h，冷却至室温；用80mL去离子水洗涤滤饼，95℃下干燥8h，随后放入马弗炉中，720℃下焙烧7h，得纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物。
25℃下，将20g 201×7大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂分散于300mL去离子水中，加入8.0g上述制备的纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物，搅拌反应4h；过滤，用400mL去离子水洗涤滤饼，90℃下真空干燥9h，得离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。
该催化剂中金钯合金纳米颗粒的平均粒径为10.6nm，材料的比表面积为197.4m2/g，应用于处理高浓度印染废水时COD去除率＞95.6％，5次循环使用后该催化剂的COD去除率＞93.5％。
实施例6：
25℃下，将4mL质量分数为0.2wt％的氯金酸水溶液加入反应釜中，加入4mL质量分数为0.5wt％的醋酸钯水溶液，再加入0.12g壳聚糖，搅拌反应4h，再加入2.5mL质量分数为5wt％的甲酸钠水溶液，60℃下搅拌反应7h，离心分离，得纳米金钯合金溶胶。
25℃下，将0.2g纳米金钯合金溶胶分散于80mL去离子水中，加入8g硫酸铝，得铝离子封装纳米金钯合金水溶液；升温至80℃，加入150mL质量分数为15wt％的碳酸铵，搅拌反应5h，静置老化10h，冷却至25℃；用300mL去离子水洗涤滤饼，80℃下干燥10h，随后放入马弗炉中，800℃下焙烧2h，得纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物。
25℃下，将8g D201大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂分散于80mL去离子水中，加入4.0g上述制备的纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物，搅拌反应5h；过滤，用320mL去离子水洗涤滤饼，70℃下真空干燥10h，得离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。
该催化剂中金钯合金纳米颗粒的平均粒径为10.9nm，材料的比表面积为189.6m2/g，应用于处理高浓度印染废水时COD去除率＞95.2％，5次循环使用后该催化剂的COD去除率＞92.7％。
Claims (6)
1.一种离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂，其特征在于，该催化剂是以强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂为载体，以纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物为活性负载物，其中，所述活性负载物的内核为金钯合金纳米颗粒，外壳为介孔氧化铝；
该离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂的制备方法包括如下步骤：
步骤1，在聚合物封装剂的存在下将金钯前驱体溶液还原得到纳米金钯合金溶胶，所述纳米金钯合金溶胶的制备步骤为：室温下，将金前驱体水溶液加入到反应釜中，按钯前驱体与金前驱体的质量比0.1∶1～5∶1，加入钯前驱体，按聚合物封装剂与金前驱体的质量比5∶1～20∶1，加入聚合物封装剂水溶液，搅拌1～4h，再按还原剂与金前驱体的质量比10∶1～20∶1，加入还原剂水溶液，30～100℃下搅拌反应4～10h，离心分离，得纳米金钯合金溶胶；
步骤2，加入铝源，经沉淀反应得到纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物，其内核为金钯合金纳米颗粒，外壳为介孔氧化铝；该纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物的制备步骤为：
步骤21，室温下，配置纳米金钯合金溶胶水溶液，按无机铝盐与纳米金钯合金溶胶的质量比20∶1～100∶1，加入无机铝盐，得铝离子封装纳米金钯合金水溶液；
步骤22，50～100℃下，按铵盐与无机铝盐的质量比2∶1～5∶1，向上述铝离子封装纳米金钯合金水溶液中缓慢加入铵盐水溶液，搅拌反应1～5h，静置老化6～24h，然后降至室温；
步骤23，过滤、干燥、焙烧，得纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物；
步骤3，将纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物组装至离子交换树脂上，得到离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。
2.一种权利要求1所述的离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂，其特征在于活性负载物与载体的质量比为0.1∶1～0.5∶1。
3.根据权利要求1所述的离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述金前驱体为氯金酸或氯金酸钾，钯前驱体为氯化钯或醋酸钯，聚合物封装剂为十六烷基三甲基溴化铵、壳聚糖、聚乙烯吡咯烷酮中的一种，还原剂为柠檬酸三钠、甲酸钠、硼氢化钠中的一种。
4.根据权利要求1所述的离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂的制备方法，其特征在于，所述无机铝盐为硫酸铝或硝酸铝，步骤22中所述铵盐为碳酸铵或氯化铵。
5.根据权利要求1所述的离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂的制备方法，其特征在于，步骤23中，用20～100倍铝源质量的去离子水洗涤滤饼，然后在70～100℃下干燥6～10h，500～800℃下焙烧2～8h。
6.根据权利要求1所述的离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂的制备方法，其特征在于，步骤3中，由所述纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物制备离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂包括下述步骤：
步骤31，将强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂分散于去离子水中，按纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物与强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂的质量比0.1∶1～0.5∶1，加入步骤2中制备的纳米金钯合金-介孔氧化铝复合物，搅拌反应1～5h；
步骤32，过滤，用20～100倍金钯合金纳米颗粒-介孔氧化铝复合物质量的去离子水洗涤滤饼，70～100℃下真空干燥6～10h，得离子交换树脂担载纳米金钯合金催化剂。
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