三维分级构造SiO2/Au局域效应自组装及其催化CO低温氧化特性研究

“Au loaded on hierarchical SiO2 prepared by confined self-assembly and catalytic performances in low-temperature oxidation of CO ”proposes utilizing confinement effects to mediate the self-assembly of silica nanoparticles towards three-dimensional hierarchical silica. Colloidal crystals of polystyrene spheres are prepared and their interstices provide the nanoscale physical confinement for self-assembly of silica nanoparticles to take place. Tiny silica nanoparticles are synthesized and introduced into the confinement. Experiments will be conducted to control the self-assembly of silica nanoparticles in the confinement to obtain hierarchical silica structures. Mechanistic study of the confined assembly phenomena will be conducted. The hierarchical silica will be employed as the catalyst carrier of gold nanoparticles and the catalytic properties of the Au-loaded hierarchical silica for low-temperature oxidation of carbon monoxide will be studied. The research integrates the confinement effects in the nanoparticle self-assembly technique, which has not been reported before. New self-assembly phenomena and novel hierarchical structures can be expected. The results will inspire structural design of carrier materials for gold nanoparticle catalysts.

“三维分级构造SiO2/Au 局域效应自组装及其催化CO 低温氧化特性研究”提出在胶体晶体孔隙内，利用局域效应调控二氧化硅纳米粒子的自组装过程，制备兼具周期性宏孔及孔隙内有序自组装体的三维分级二氧化硅。制备聚苯乙烯胶体晶体，其孔隙提供了“局域”，即纳米级别的物理空间限制。集中研究局域内二氧化硅纳米粒子的自组装行为，揭示局域对二氧化硅纳米粒子自组装的影响机理。进一步以三维分级构造二氧化硅承载金纳米粒子催化剂，研究该复合陶瓷用于催化一氧化碳低温氧化的特性。项目具有重要的科学理论意义和实用价值。借助耦合局域效应与纳米粒子自组装技术，有利于发现新现象，获得新型三维分级构造，为金催化剂的载体材料结构设计提供启迪。

本研究利用局域效应调控二氧化硅生成形貌，制备了两种分级构造：第一种是多层介孔二氧化硅纳米粒子的三维紧密堆积阵列结构。制备方法上，采用三维多孔碳为硬模板和两亲性三嵌段共聚物为软模板共同调制三维分级构造形貌。三维多孔碳的孔径可调，主要影响介孔二氧化硅纳米粒子的大小以及粒子间隙孔的大小；三嵌段共聚物软模板主要决定介孔二氧化硅纳米粒子内部的介孔形貌。恒温氮气吸脱附测试表明，三维分级构造二氧化硅所含介孔大小均匀，并有较高的BET表面积。小角X射线衍射光谱表明三维分级构造二氧化硅的结构具有高度有序性，与氮气吸脱附的平均孔径范围吻合。以所得三维分级构造二氧化硅为承载金纳米粒子，承载率为1.7-2.5 %；其用于催化对硝基苯酚的还原反应，20分钟内对硝基苯酚还原转化率为78-82 %。相比于典型介孔二氧化硅（SBA-15）和实心二氧化硅纳米粒子的三维紧密阵列结构，在相近的金负载率条件下，所制备的三维分级二氧化硅明显提高了金纳米粒子的催化特性，实现了更高的转化量和更快的转化率，表明三维分级构造用于催化剂载体具有优势。第二种是花粉结构三维分级介孔/大孔二氧化硅材料。采用油菜花粉为硬模板和两亲性三嵌段共聚物为软模板共同构筑三维分级介孔/大孔形貌。该构造具备了花粉结构三维开放式连通大孔网络和有序介孔孔道，介孔孔径均匀，具有较高比表面积与总孔容。负载金纳米颗粒后得到新型的三维分级多孔催化剂Au/PHMSs, 催化剂负载的金颗粒分布均匀，尺寸较小, 结晶性和热稳定性好。Au 负载量为0.8 - 6.8 wt%时，CO催化氧化性能测试结果表明: 25-700℃内，随金负载量的增加Au/PHMSs催化效率提高。在相同金承载量下，对比三维分级结构Au/PHMSs 和非分级构造 Au/SBA-15用于CO催化的效率。结果表明无论在加热还是常温条件下，具有三维分级构造样品比非分级构造样品具有更高的CO催化效率。理论计算和模拟证明了Au/PHMSs催化剂的介孔/大孔分级构造比Au/SBA-15介孔结构更有利于催化反应的物质扩散传输，从而提高催化效率。此研究为二氧化硅负载型纳米金催化剂载体结构效应的研究提供了一个新思路，对设计新型CO催化剂有指导作用。