生物质还原法制备贵金属纳米颗粒及其催化剂的化学与工程基础研究

本项目研究利用微生物和植物生物质还原制备金、银、钯纳米颗粒及其负载型催化剂所涉及的化学与化工基础问题，包括生物质复杂成分在还原反应和成核生长过程中的作用、生物质还原法连续流动制备技术中传递与界面/表面对反应与成核生长的影响、基于生物质还原法的催化剂制备过程中金属颗粒、生物分子与载体的相互作用。掌握从生物质还原反应本身（原料、热力学、动力学）对纳米颗粒形貌、粒度及其分布的调控规律，认识连续流动生物质还原制备过程中传质/传热与表面特性对纳米颗粒形貌、粒度及其分布的影响规律，揭示生物质还原法改进负载型贵金属催化剂制备技术和提高催化剂性能的内在原理。本研究在充分认识生物质还原法的化学与材料学本质并为化学合成法提供方向性的参考方面具有重要的学术价值，利用本项目提出的思路和揭示的过程原理所建立起来的制备新技术有望提高相应体系催化剂的性能和过程的绿色化程度，因此本研究也具有重要的潜在应用。

重点项目“生物质还原法制备贵金属纳米颗粒及其催化剂的化学与工程基础研究”主要针对微生物和植物生物还原制备金、银、钯纳米颗粒，及负载型贵金属催化剂所涉及的化学与化工基础问题展开研究。首先，利用化学分析、红外光谱等手段，从微观的角度识别了参与还原贵金属前驱体的分子或基团；采用快速柱层析分离植物质溶出组分，研究了各组分与贵金属离子的相互作用，进而分析了生物质中的有效成分在生物还原过程中所起到的作用；获得了生物质还原法制备纳米颗粒的形貌和粒度调控规律；建立了金纳米颗粒成核生长表观动力学模型，并从动力学角度研究了贵金属纳米颗粒形貌演变规律；利用“两步法”实现了在多分散的贵金属纳米颗粒体系中分离获得形貌均一且尺寸单分散的纳米颗粒。其次，模拟了冷态条件下微通道反应器内浓度场、温度场的分布情况；认识了连续流动生物质还原制备过程中界面特性对纳米颗粒粒径及其分布的影响规律；所建立的模拟微通道反应器中植物生物质还原制备贵金属纳米颗粒的颗粒粒群衡算与计算流体力学的耦合模型，在预测所得纳米产品粒径及粒径分布上得到了较好的应用。最后，建立了基于生物质还原过程的负载型催化剂的三种制备方法；探索了贵金属纳米颗粒、载体以及生物质之间的相互作用及对催化剂物理化学性质的影响；针对相应的催化反应体系如丙烯环氧化、乙烯环氧化、苯甲醇氧化和1,3-丁二烯加氢等；研究了适合制备高性能负载型贵金属催化剂的技术路线和工艺条件；揭示了生物还原法改进负载型贵金属催化剂制备技术和提高催化剂性能的内在原理。本研目执行期间，获得高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）奖自然科学二等奖1项；发表学术论文62篇，其中SCI收录58篇；申请中国发明专利20项，其中授权8项；2人入选教育部新世纪人才计划；培养博士后1名、博士生12名、硕士生30名。