多级结构中空纳米纤维负载金基双金属催化剂的可控合成及其应用研究

Noble-metal nanoparticles (NPs) have been used as catalysts in various chemical reactions due to their high catalytic activity and selectivity. However, smaller NPs aggregate very easily, resulting in a remarkable reduction in their catalytic activities, and also smaller NPs are hard to be removed from the reaction media and recycled, which limits their applications. The project intends to synthesize the extra long hollow metal silicates nanofibers with hierarchical structures through hydrothermal/solvothermal and electrospinning method, construct the metal silicates nanofibers with high specific surface area as the support for noble metal catalysts. The highly dispersed Au-based bimetallic nanoparticles with controlled size, composition and loading amount will be immobilized on the surface of metal silicates by an easy and mild way, the catalytic properties of the obtained nanocomposites catalysts for the alcohol oxidation will also be investigated. The silicates with unique nanofibers network structure could improve the performance of nanocomposites catalysts for separation and reuse. In this project, the growth mechanism of hollow nanofibers with hierarchical structures will be revealed. The interaction mechanism of the nanoparticles catalysts and the supports will be explored. The structure and composition of nanocomposites, catalytic properties and recycling properties will also be investigated, in order to reveal the effects of supports and bimetallic nanoparticles on the activity, selectivity and stability of the nanocomposites catalysts. The research of this subject is expected to give a theoretical and experimental foundation for designing and fabricating new nanocomposites catalysts with high catalytic activity and good performance of separation and reuse.

贵金属纳米催化剂具有较高的催化活性和选择性，但是由于纳米粒子在催化反应过程中容易发生团聚，及难以分离回收并重复使用等缺点，限制了其实际应用。本项目拟采用静电纺丝和水热/溶剂热技术相结合的方法，设计合成一种具有多级结构特征的硅酸盐中空纳米纤维网毡，构筑具有超大比表面积的催化剂载体，通过简单温和的方法在载体上实现对金基双金属纳米粒子尺寸、组成和负载量的可控负载，将该复合催化剂应用于醇氧化催化性能的研究。利用硅酸盐这种独特的网毡结构，提高复合纳米催化剂的可分离和重复使用性能。研究具有多级结构中空纳米纤维的形成机理；探索催化剂与载体之间相互作用机理；通过对复合纳米催化剂的结构和组成、催化性质及循环稳定性等方面的测试分析，揭示载体和双金属纳米粒子对催化活性、选择性和稳定性的影响规律和催化机理。为实现设计合成具有高催化活性，同时又具有良好循环使用性能的负载型双金属纳米催化剂提供理论基础和实验数据。

近年来，开发合成新型纳米级催化剂载体对于获得具有高活性、高稳定性和良好循环使用性能的负载型纳米催化剂具有重要的意义。在项目执行期间，我们围绕新型具有多级结构硅酸盐纳米材料的设计合成和性能表征开展了系统的研究，并对其在能源，环境治理以及催化等领域的应用进行了探索研究，取得了一系列创新性成果。（1）开发了一种可控合成具有多级结构的硅酸盐双层空心纳米纤维的普适方法。所得的硅酸盐纳米材料比表面积大，易于沉降，便于从溶液中分离回收重复利用。（2）溶剂热法制备了具有三明治结构的石墨烯/硅酸镍/镍三元复合物，其作为锂离子电池负极材料表现出优异的性能。（3）合成了具有多级结构的硅酸镁双壁空心纳米纤维，该材料具有超大表面积，不论是对有机污染物还是重金属离子都有着良好的吸附效果，是一种优良的可回收并重复使用的污染物吸附剂。此外，我们在超薄氮化碳基纳米复合材料的制备及其光催化性能的研究方面也取得了一系列创新性成果。（1）设计合成了一系列Ag基/氮化碳纳米复合物，所制备的复合物具有较高的比表面积和电子-空穴分离率，具有高效降解水中污染物的能力。（2）通过自修饰策略改善了g-C3N4的基本电子结构，制备了具有丰富孔结构的宏观泡沫状多孔超薄g-C3N4纳米片，所制备的材料在光解水制氢以及污染物降解中都表现出了卓越的性能。（3）设计并合成了具有独特富碳结构的超薄g-C3N4纳米片，与体相氮化碳相比，其光催化产氢速率和量子产率大大提高。.项目执行期间共发表SCI研究论文13篇，包括Advanced Energy Mater., Small, Nanoscale, J. Hazard Mater., Chem. Eur. J.等等国际著名期刊，其中2篇论文被Web of Science选为ESI高被引论文，且多篇研究工作被ChemistryViews和Materials Views等媒体多次报道。获得中国发明专利1 项。培养博士生5 名，其中2名获得国家奖学金，硕士研究生12名。项目执行期间，项目负责人邢艳晋升为三级教授，2018年入选中国化学会胶体与界面专业委员会委员。研究成果表明我们很好地执行了项目的研究计划，圆满完成了预期目标。