石墨烯定点负载纳米钯整体催化剂的构筑及低温催化燃烧性能

本研究以低温催化燃烧处理挥发性有机物（VOC）高活性催化剂为应用背景，针对氧化物涂层低温下吸收水分抑制催化活性的问题，结合新型碳材料石墨烯的独特性能、整体式催化剂的结构优势与金属钯的高催化活性，利用氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团对金属粒子锚定作用以及与基体表面键合反应自组装，实现贵金属在石墨烯表面的高分散定点负载和石墨烯涂层与基体的稳定结合，构筑堇青石等为基体的石墨烯高分散定点负载纳米钯整体式催化剂。将石墨烯负载钯整体式催化剂的表征结果与低温催化燃烧VOC活性相关联，揭示基体、石墨烯与贵金属相互作用规律，阐明石墨烯负载钯整体式催化剂低温催化氧化机理，探讨石墨烯与贵金属协同催化作用，建立反应模型。为石墨烯负载钯整体式催化剂在低温催化燃烧处理VOC技术中的应用提供较完备的理论与实验基础。这对于进一步扩展新型碳材料石墨烯的应用领域，有效控制VOC带来的大气污染具有重要的理论意义和应用价值。

本课题将石墨烯作为整体催化剂涂层负载贵金属并研究其催化性能。首先采用改性Hummers法成功制备了氧化石墨烯，通过控制超声剥离强度与时间，实现了氧化石墨烯片尺寸大小的有效控制，并成功获得分布均匀的氧化石墨烯薄膜；通过碳氧比变化，对比了不同方法对氧化石墨烯的还原程度。利用超声浸渍法将氧化石墨烯直接沉积于堇青石基体表面，然后通过离子吸附实现了PdCl42-离子在氧化石墨烯表面的附着，经过焙烧及还原后得到纳米钯负载的石墨烯涂层整体催化剂。以常温常压下苯乙烯加氢反应为探针反应，通过测试单位时间单位质量钯转化效率，对所制备催化剂的催化活性进行了评价。.实验主要成果有：.（1）采用预氧化-深度氧化-离心洗涤-超声剥离方法制备了氧化石墨烯，通过对超声剥离过程的控制可得到从几百纳米到10微米不同片径大小的氧化石墨烯产品；.（2）将一定浓度的氧化石墨烯水相悬浮液利用AAO膜进行真空抽滤，得到了分布均匀的氧化石墨烯薄膜，薄膜直径为47mm、厚度为5μm；.（3）利用热处理在Ar以及H2/Ar气氛中对所制备氧化石墨烯进行还原合成石墨烯。氧化石墨烯中氧含量为31.25%，主要以C=O形态存在，Ar气氛中热还原后氧含量降至15.77%，主要存在为O-C=O，而经H2与Ar混合气氛中还原所得石墨烯氧含量仅为8.15%，碳氧比大幅提高。.（4）堇青石负载氧化石墨烯后的红外表征结果为：在3397 cm−1 范围内出现一个较宽、较强的吸收峰，对应于氧化石墨烯表面—OH的伸缩振动；1735 cm−1处的吸收峰，归属于氧化石墨烯表面羧基上的C＝O的伸缩振动峰；表明氧化石墨烯已成功涂覆于堇青石基体表面。.（5）氧化石墨烯涂层沉积有效改善了钯纳米粒子的粒径与分散性。当堇青石表面直接负载钯时，钯粒子粒径为10-20nm，粒径分布宽。而沉积氧化石墨烯涂层后，所负载的钯粒子粒径大多在5nm左右，且粒径分布均匀。. （6）氧化石墨烯负载有效提高了催化剂对苯乙烯加氢反应的催化效率。经氧化石墨烯涂层沉积后催化剂活性从21.12提高到61.71 mmol•min-1•g-1 Pd。石墨烯涂层的引入，使得钯的粒径大大减小，分散性改善，提高了单位钯催化剂的活性，因而单位钯金属的催化活性提高。.