CN108607575B - 一种多枝结构铂基双金属纳米催化剂及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多枝结构铂基双金属纳米催化剂及制备方法和应用,所述催化剂由乙酰丙酮铂与另一种金属乙酰丙酮化合物加入长链烯烃溶液,经超声处理后通入惰性气体并同时搅拌得到均匀混合液,将混合液加热升温保持一定时间后分离、清洗和真空干燥后制成;所述催化剂为多枝结构,尺寸均一,分散性好,组分可控。通过使用不同链长的烯烃以及调节长链烯烃使用量、金属投料比、温度和老化时间控制还原强度,可以实现特定结构的多枝结构铂基双金属纳米催化剂的可控合成,其合成体系及操作简单、成本低、环保、易于生产。所述催化剂在硝基苯选择性加氢反应中表现出更高的催化活性,具有良好的应用前景。

Description

一种多枝结构铂基双金属纳米催化剂及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种多枝结构铂基双金属纳米合金催化剂及制备方法和应用,属于纳米材料和催化技术交叉领域。
背景技术
铂基双金属纳米材料不仅具有化学稳定性、电导、高催化活性等体相性质,还拥有着由纳米效应产生的独特的光、电、磁等性质。另外,由于可以引入了一种比铂廉价的金属进行材料合成,降低了生产成本,导致这类材料被国内外学者广泛研究。目前许多结构、尺寸和组成可控的Pt基纳米材料已经被广泛的应用于化学催化,光电催化、生物医药和环境能源等领域。[Catalytic Nanoarchitectonics for Environmentally CompatibleEnergy Generation,Mater.Today 2016,19(1):12-18、Tuning Nanoparticle Catalysisfor the Oxygen Reduction Reaction,Angew.Chem.Int.Ed.2013,52(33):8526-8544.]。
通过不断的研究,人们发现铂基双金属纳米催化剂的性能与其具有的组成、尺寸和形貌以及表面吸附物种息息相关。在众多组成、尺寸和形貌各异的铂基金属纳米晶中,铂基多枝纳米结构晶体因具有更大的比表面积,更高的孔隙率,和高指数的晶面等特点,成为了新一类的形貌研究热点。在众多合成研究中,多枝结构铂基双金属纳米材料主要是采用热注射法,晶种法,氧化刻蚀等制备方法。上述方法都存在以下缺陷:工艺复杂,反应时间长,采用控制合成的试剂繁多,反应条件苛刻等。因此,需要开发操作简便,成本低廉和环保,适于工业化生产的新的制备方法,用以制备分散性好、尺寸均一和组成可控的高活性多枝结构的铂基双金属纳米材料。液相还原方法是一种相对简单的合成方法。常规一般需将铂与第二金属组分加入高沸点溶剂中,再加入分散剂、配位剂、还原剂等来控制还原过程与双金属形貌。长链烯烃作为一种具有长链结构的不饱和烃,因其高沸点常作为溶剂。有研究表明,长链烯烃不仅对吸附原子在晶种上的生长具有一定的控制和阻碍作用,而且其不饱和双键还具有一定的还原性和配位作用。因此,在液相还原法中它除被用作为溶剂外,也利用它作为表面活性剂或配位剂与其它化学试剂协同作用,来合成纳米材料。有报道在单一的十八烯体系中可以合成硫族量子点如硒化物碲化物硫化物等。长链烯烃与纳米金属材料合成中常用的油胺相比,其还原性较弱,因此单一的长链烯烃体系从没有被用来考虑合成双金属纳米材料。
发明内容
针对多枝结构铂基双金属纳米材料合成现有技术的缺点与不足,本发明首要目的在于提供一种可调控组成的多枝铂基纳米双金属催化剂及其应用,以及采用单一长链烯烃的合成体系制备多枝铂基双金属合金纳米催化剂的方法。本发明长链烯烃同时作为溶剂、还原剂、配位剂和分散剂,可制得分散性好、尺寸均一和具有不同组成及特定表面物种的多枝铂基双金属合金纳米催化剂,同时本方法操作简便,成本低廉。
本发明所采用的技术方案:一种可调控组成的多枝铂基纳米双金属催化剂,所述催化剂由乙酰丙酮铂与另一种金属乙酰丙酮化合物加入长链烯烃溶液,经超声处理后通入惰性气体并同时搅拌得到均匀混合液,将混合液加热升温保持一定时间后分离、清洗和真空干燥后制成。
所述另一种金属乙酰丙酮化合物为乙酰丙酮钴、乙酰丙酮铜、乙酰丙酮锌、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮镍或乙酰丙酮锰中的一种。
所述长链烯烃溶液为1-十二烯,1-十四烯,1-十六烯、1-十八烯中的一种或多种混合。
所述催化剂具有多枝纳米结构,枝长度为4~7nm,宽度为2~4nm,多枝纳米结构为面心立方合金结构,另一种金属乙酰丙酮化合物在晶格中无序,合金表面相比体相富铂,但并没有形成完整的铂壳层。
所述催化剂表面吸附的长链烯烃的覆盖度为5-15%。
一种催化剂的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)将乙酰丙酮铂与另一种金属乙酰丙酮化合物加入长链烯烃溶液中,超声一段时间,通入惰性气体,排除体系空气,并同时进行搅拌处理,混合均匀得到混合溶液;
(2)在惰性气体保护下,将步骤(1)所得混合溶液加热升温至200℃~320℃,直接降温或保温5~180min后降温,然后进行分离、清洗和真空干燥后得到多枝结构铂基双金属纳米催化剂。
步骤(1)中所述乙酰丙酮铂与另一种金属乙酰丙酮化合物的摩尔比为1:4~1:0.2,所述乙酰丙酮铂的摩尔浓度为2.5~12.5mM。
步骤(1)中超声均匀化处理的温度为25℃~30℃,时间为10~30min;排除体系中空气处理时,惰性气体为氮气、氦气、氩气中的一种,使用流量为20~40mL/min,通气时间为10~30min。
步骤(2)中具体的分离、清洗步骤如下:将冷却后的混合溶液加入等体积的丙酮进行离心,将离心产物用非极性溶剂进行超声洗涤再加入丙酮,然后重复上述离心,超声洗涤步骤,最后离心收集;离心转速为10000rpm~12000rpm,离心时间为5~10min,超声清洗时间为4~5min,非极性溶剂为正己烷。
一种催化剂用于硝基苯加氢反应生产苯胺的应用。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:(1)本发明的铂基双金属纳米催化剂,该催化剂具有多枝纳米结构,每个分枝类似蠕虫状,长度为4~7nm,宽度为2~4nm。双金属纳米材料为面心立方合金结构,第二金属在晶格中无序,合金表面相比体相略微富铂,但并没有形成完整的铂壳层,第二金属同样有暴露,表面吸附的长链烯烃的覆盖度为5-15%;(2)本发明的铂基双金属纳米催化剂为多枝结纳,每个枝类似蠕虫状,且分散性好、组分可控、结构稳定;与传统合成方法相比,本发明的反应体系为单一的长链烯烃,采用长链烯烃同时作为溶剂,表面活性剂和还原剂,然后通过使用不同链长的烯烃、调节长链烯烃使用量、金属投料比、温度和老化时间控制还原强度,就可以实现多种组分不同且特定表面组成的多枝结构铂基双金属纳米催化剂的可控合成,其合成体系及操作简单、成本低、环保、易于工业化生产;相比目前其它合成方法制备的多枝结构铂基双金属纳米催化剂,所述催化剂用于硝基苯选择性加氢催化反应中具有更高的活性、苯胺选择性、良好的重复性及更强的稳定性;(5)本发明多枝铂基双金属纳米催化剂应用于硝基苯选择性加氢的反应中,在较低温度和压力下,就可达到很好的催化效果。催化反应的条件为:反应温度为25~30℃,反应压力为1~2Mpa(相对压力),反应时间为90~150min,所述硝基苯与催化剂用量质量比为1000:1~3000:1。
附图说明
图1从左至右分别为本发明实施例1所得Pt35Fe65、Pt52Fe48和Pt70Fe30纳米晶体的TEM图。
图2从左至右分别为本发明实施例2所得Pt28Ni72、Pt50Ni50和Pt69Ni31纳米晶体的TEM图。
图3从左至右分别为本发明实施例3所得Pt37Co63、Pt65Co35和Pt80Co20纳米晶体的TEM图。
图4为本发明实施例4所得PtCo纳米晶体的TEM图。
图5为本发明实施例5所得PtCo纳米晶体的TEM图。
图6为本发明实施例1~3中制备的Pt70Fe30、Pt69Ni31和Pt80Co20纳米晶体的XRD图谱。
图7为本发明实施例1中制备的Pt70Fe30纳米催化剂用于硝基苯选择性加氢催化反应的评价结果。
图8为本发明实施例1中制备的Pt70Fe30纳米催化剂对硝基苯选择性加氢反应进行循环催化数次后的活性变化图。
图9为本发明对比例1中通过参照文献,于油胺体系下合成的PtFe纳米晶体的TEM图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明,而不用于限制本发明的保护范围;还应理解,本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤。而且,除非另有说明,各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具,而非为限制各方法步骤的排序顺序或限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容的情况下,当亦视为本发明可实施的范畴。
此外还须知,下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内常规的工艺设备或装置;所有压力和范围都是相对压力,使用的原料也均为本领域内常规原料。
一种可调控组成的多枝铂基纳米双金属催化剂,所述催化剂由乙酰丙酮铂与另一种金属乙酰丙酮化合物加入长链烯烃溶液,经超声处理后通入惰性气体并同时搅拌得到均匀混合液,将混合液加热升温保持一定时间后分离、清洗和真空干燥后制成。所述另一种金属乙酰丙酮化合物为乙酰丙酮钴、乙酰丙酮铜、乙酰丙酮锌、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮镍或乙酰丙酮锰中的一种。所述长链烯烃溶液为1-十二烯,1-十四烯,1-十六烯、1-十八烯中的一种或多种混合。所述催化剂具有多枝纳米结构,枝长度为4~7nm,宽度为2~4nm。所述催化剂表面吸附的长链烯烃的覆盖度为5-15%。该催化剂的双金属纳米材料为面心立方合金结构,另一种金属乙酰丙酮化合物,即乙酰丙酮钴、乙酰丙酮铜、乙酰丙酮锌、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮镍或乙酰丙酮锰中的一种在晶格中无序,合金表面相比体相略微富铂,但并没有形成完整的铂壳层,另一种金属乙酰丙酮化合物同样有暴露。
一种催化剂的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)将乙酰丙酮铂与另一种金属乙酰丙酮化合物加入长链烯烃溶液中,超声一段时间,通入惰性气体,排除体系空气,并同时进行搅拌处理,混合均匀得到混合溶液;
(2)在惰性气体保护下,将步骤(1)所得混合溶液加热升温至200℃~320℃,直接降温或保温5~180min后降温,然后进行分离、清洗和真空干燥后得到多枝结构铂基双金属纳米催化剂。
步骤(1)中所述乙酰丙酮铂与另一种金属乙酰丙酮化合物的摩尔比为1:4~1:0.2,所述乙酰丙酮铂的摩尔浓度为2.5~12.5mM。
步骤(1)中超声均匀化处理的温度为25℃~30℃,时间为10~30min;排除体系中空气处理时,惰性气体为氮气、氦气、氩气中的一种,使用流量为20~40mL/min,通气时间为10~30min。
步骤(2)中具体的分离、清洗步骤如下:将冷却后的混合溶液加入等体积的丙酮进行离心,将离心产物用非极性溶剂进行超声洗涤再加入丙酮,然后重复上述离心,超声洗涤步骤,最后离心收集;离心转速为10000rpm~12000rpm,离心时间为5~10min,超声清洗时间为4~5min,非极性溶剂为正己烷。
一种催化剂用于硝基苯加氢反应生产苯胺的应用。
应用于硝基苯选择性加氢的反应中,在较低温度和压力下,就可达到很好的催化效果。催化反应的条件为:反应温度为25~30℃,反应压力为1~2Mpa(相对压力),反应时间为90~150min,所述硝基苯与催化剂用量质量比为1000:1~3000:1。
实施例1
本发明提供一种具有不同组成的多枝结构PtFe纳米晶体的制备方法,包括如下步骤:在常温下,向玻璃反应瓶中依次加入乙酰丙酮铂、乙酰丙酮铁和1-十八烯溶液后,将玻璃反应瓶置于数控超声波清洗器25℃超声20min。然后在搅拌下,向该反应瓶中通入氮气排除体系空气,流速为20mL/min,排气时间为10min,得到均匀的混合溶液。混合溶液中乙酰丙酮铂与乙酰丙酮铁的摩尔比为1:3或1:1或1:0.33,铂金属摩尔浓度为5mM。此时,溶液开始升温至300℃,直接降温。将降温后的混合物料加入等体积的丙酮进行离心,离心的转速为12000rpm/min,离心的时间为5min。将离心产物用正己烷在25℃下超声洗涤5min再加入丙酮,然后重复上述离心,超声洗涤步骤8次,最后离心收集得到PtFe纳米晶体,80℃真空干燥12h后得到PtFe纳米催化剂。按照上述投料比,制备得到三种不同组成的PtFe纳米晶体,如图1所示从左至右,它们分别具有2.9,3.6和3.1nm的平均枝宽和5.6,4.6和5.1nm的平均枝长,且原子吸收光谱测试(AAS)结果显示Pt:Fe的原子比率分别为35.2%:64.8%、51.8%:48.2%、70.2%:29.8%。IR、NMR、MS分析表明,十八烯确实起到了还原作用和配位作用。XRD、XPS、ISS、HAADF-STEM、元素分析结果表明双金属纳米材料为面心立方合金结构,第二金属在晶格中无序,合金表面相比体相略微富铂,但并没有形成完整的铂壳层,第二金属同样有暴露。表面吸附的长链烯烃的覆盖度为分别为8.2%,10.5%,12%。
实施例2
本发明提供一种具有不同组成的多枝结构PtNi纳米晶体的制备方法,包括如下步骤:将实施例1中的乙酰丙酮铁替换为乙酰丙酮镍,其余实施步骤同实施例1。制备得到的PtNi纳米枝晶,如图2所示从左至右,它们分别具有3.3,3.0和2.9nm的平均枝宽和5.8,6.0和6.2nm的平均枝长,且AAS结果显示Pt:Ni的原子比率分别为27.9%:72.1%、49.9%:50.1%、68.6%:31.4%。XRD、XPS、ISS、HAADF-STEM、元素分析结果表明双金属纳米材料为面心立方合金结构,第二金属在晶格中无序,合金表面相比体相略微富铂,但并没有形成完整的铂壳层,第二金属同样有暴露。表面吸附的长链烯烃的覆盖度为分别为10.4%,11.7%,13.5%。
实施例3
本发明提供一种具有不同组成的多枝结构PtCo纳米晶体的制备方法,包括如下步骤:将实施例1中的乙酰丙酮铁替换为乙酰丙酮钴,其余实施步骤同实施例1。制备得到的PtCo纳米枝晶,如图3所示从左至右,它们分别具有2.8,3.2和2.9nm的平均枝宽和5.3,6.3和5.5nm的平均枝长,且AAS结果显示Pt:Co的原子比率分别为37.3%:62.7%、64.8%:35.2%、79.8%:20.2%。XRD、XPS、ISS、HAADF-STEM、元素分析结果表明双金属纳米材料为面心立方合金结构,第二金属在晶格中无序,合金表面相比体相略微富铂,但并没有形成完整的铂壳层,第二金属同样有暴露。表面吸附的长链烯烃的覆盖度为分别为9.7%,10.8%,10.3%。
实施例4
采用1:3的乙酰丙酮铂与乙酰丙酮钴摩尔比,5mM铂金属摩尔浓度的合成条件。溶液升温至300℃,保持180min后退火,其余同实施例1。如图4所示,制备得到的PtCo纳米枝晶具有2.8nm的平均枝宽和4.07nm的平均枝长。XRD、XPS、ISS、HAADF-STEM、元素分析结果表明双金属纳米材料为面心立方合金结构,第二金属在晶格中无序,合金表面相比体相略微富铂,但并没有形成完整的铂壳层,第二金属同样有暴露。表面吸附的长链烯烃的覆盖度为为5.5%。
实施例5
采用1:3的乙酰丙酮铂与乙酰丙酮钴摩尔比,5mM铂金属摩尔浓度的合成条件。溶液升温至200℃,保持180min后退火,其余同实施例1。如图5所示,制备得到的PtCo纳米枝晶具有2.2nm的平均枝宽和4.6nm的平均枝长。
实施例6
将2mg实施例1所得的Pt70Fe30金属纳米催化剂、6.02g硝基苯、0.3g内标物十六烷分散于30mL乙醇中,将混合溶液转移至100mL高压反应釜。让反应釜的一端接上N2,在1MPa下,充气保压2min再放气。反复共充放3次氮气后,改充入氢气至1Mpa。将反应釜至于25℃水浴锅中,维持温度稳定,反应2h。用GC-7890B安捷伦气相色谱仪分析反应不同时间的物料组成。结果如图6显示,硝基苯的转化率在2h时达到100.0%,此时苯胺的选择性也达到了99.2%。
将上述反应后的混合溶液进行离心,离心的转速为12000rpm/min,离心时间为5min。离心后得到的催化剂,按照上述实验步骤,对硝基苯加氢反应进行反复8次循环催化测试。用GC-7890B安捷伦气相色谱仪分析对每次循环测试后的物料进行产物分析。结果显示如图7,循环催化至第8次时,硝基苯的转化率在2h时达到90.7%,此时苯胺的选择性达到了88.2%。将反应时间延长15min及可得到100%的转化率与苯胺选择性。事实上分离过程中有少量催化剂损失,其活性并未下降。
对比例1
油胺作为铂或铂基双金属纳米材料合成中常用的还原剂与配位剂,其单独使用即可合成铂基双金属纳米材料。为了对比,在油胺体系合成了多枝结构PtFe(3:1)纳米催化剂。具体制备方法如下:在常温下,向玻璃反应瓶中依次加入200mg乙酰丙酮铂、60.1mg乙酰丙酮铁和20mL油胺溶液后,将玻璃反应瓶置于数控超声波清洗器25℃超声20min。然后在搅拌下,向该反应瓶中通入氮气排除体系空气,流速为20mL/min,排气时间为10min,得到均匀的混合溶液。此时,混合溶液开始升温至120℃维持30min后,再升至160℃反应30min后退火。将退火后的混合物料加入等体积的乙醇进行离心,离心的转速为12000rpm/min,离心的时间为5min。将离心产物用正己烷在25℃下超声洗涤5min再加入乙醇,然后重复上述离心,超声洗涤步骤8次,最后离心收集得到油胺-PtFe纳米晶体,80℃真空干燥12h后得到油胺-PtFe纳米催化剂。如图8所示,制备得到的油胺-PtFe纳米晶体具有与本发明合成的十八烯-PtFe相似的形貌。分析表明,其组成与十八烯-Pt70Fe30相似,而且油胺-PtFe表面覆盖度为11.3%,也与十八烯-Pt70Fe30表面覆盖度几乎一样。
将上述制备的油胺-PtFe纳米催化剂进行硝基苯加氢反应,具体方法同实施例6。油胺-PtFe与十八烯-PtFe纳米催化剂性能对比情况如下面的表1所示。可以看出,本发明合成的十八烯-Pt70Fe30具有远超油胺-PtFe纳米催化剂的催化活性,这可能与二者不同的结构特征以及表面集团的电子效应相关。
表1 油胺-PtFe与十八烯-PtFe纳米催化剂硝基苯加氢催化性能比较
Figure BDA0001623659730000101
对于本领域的技术人员来说,可根据以上描述的技术方案以及构思,做出其它各种相应的改变以及变形,而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可调控组成的多枝铂基纳米双金属催化剂,其特征在于:所述催化剂由如下方法制备得到:
(1)将乙酰丙酮铂与另一种金属乙酰丙酮化合物加入长链烯烃溶液中,超声一段时间,通入惰性气体或氮气,排除体系空气,并同时进行搅拌处理,混合均匀得到混合溶液;
(2)在惰性气体或氮气保护下,将步骤(1)所得混合溶液加热升温至200℃~320℃,直接降温或保温5~180 min后降温,然后进行分离、清洗和真空干燥后得到多枝结构铂基双金属纳米催化剂;
所述长链烯烃溶液为1-十二烯,1-十四烯,1-十六烯、1-十八烯中的一种或多种混合;
所述催化剂具有多枝纳米结构,枝长度为4~7 nm,宽度为2~4 nm,多枝纳米结构为面心立方合金结构,另一种金属乙酰丙酮化合物在晶格中无序,合金表面相比体相富铂,但并没有形成完整的铂壳层;
所述催化剂表面吸附的长链烯烃的覆盖度为5-15%。
2.根据权利要求1所述的可调控组成的多枝铂基纳米双金属催化剂,其特征在于:所述另一种金属乙酰丙酮化合物为乙酰丙酮钴、乙酰丙酮铜、乙酰丙酮锌、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮镍或乙酰丙酮锰中的一种。
3.根据权利要求1所述的可调控组成的多枝铂基纳米双金属催化剂,其特征在于:
步骤(1)中所述乙酰丙酮铂与另一种金属乙酰丙酮化合物的摩尔比为1:4~1:0.2,所述乙酰丙酮铂的摩尔浓度为2.5 ~12.5 mM。
4.根据权利要求1所述的可调控组成的多枝铂基纳米双金属催化剂,其特征在于:
步骤(1)中超声均匀化处理的温度为25℃~30℃,时间为10~30min;排除体系中空气处理时,惰性气体为氦气、氩气中的一种,使用流量为20~40 mL/min,通气时间为10~30 min。
5.根据权利要求1所述的可调控组成的多枝铂基纳米双金属催化剂,其特征在于:
步骤(2)中具体的分离、清洗步骤如下:将冷却后的混合溶液加入等体积的丙酮进行离心,将离心产物用非极性溶剂进行超声洗涤再加入丙酮,然后重复上述离心,超声洗涤步骤,最后离心收集;离心转速为10000rpm~12000rpm,离心时间为5~10min,超声清洗时间为4~5min,非极性溶剂为正己烷。
6.一种根据权利要求1-5任一所述的催化剂用于硝基苯加氢反应生产苯胺的应用。
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