新型石墨烯基杂化材料负载纳米贵金属的可控制备与催化性能

层状材料负载纳米贵金属催化剂一般通过离子交换-原位还原方法实现，然而在催化及重复使用过程中，贵金属纳米粒子容易团聚且易从载体脱落，导致催化活性显著降低。针对这一问题，本项目以石墨为研究对象，采用化学剥离和原位生长方法，在石墨烯表面共价引入树枝状大分子进行功能化；然后以此无机-有机杂化材料为模板，制备负载型纳米贵金属催化剂。研究负载后贵金属纳米粒子的生长机理和催化丙烯醇加氢性能，分析纳米贵金属的尺寸与催化性能之间的关系，确定催化剂的构效关系；项目预期将揭示"锚定"的树枝状大分子的生长代数与负载的纳米贵金属尺寸之间的规律，实现负载后纳米贵金属的尺寸可调，建立基于层状无机材料层板构筑无机-有机杂化材料负载纳米贵金属的制备方法；项目的研究成果对于构筑高效、稳定、可重复使用的负载型纳米贵金属催化剂具有重要意义，可以为新型催化剂结构与性能的设计与调控提供科学依据。

层状材料负载纳米贵金属催化剂一般通过离子交换-原位还原方法实现，然而在催化及重复使用过程中，贵金属纳米粒子容易团聚且易从载体脱落，导致催化活性显著降低。基于层状材料构建纳米杂化负载型催化剂是实现负载后贵金属纳米粒子的尺寸、形状以及组成可控的关键。本项目以石墨以及其他层状材料为研究对象，通过原位接枝方法，将包含有氮原子的有机分子、聚合物、树枝状大分子等共价引入到层板或化学剥离的层板表面，构建无机-有机杂化层状载体；进而以此无机-有机杂化材料为模板，以有机碱控制体系的pH值，经吸附、室温原位还原，制备了一系列负载型贵金属、贵金属-金属合金以及贵金属-金属核壳型纳米催化剂。研究了高分散、高浓度的稳定的氧化石墨烯的制备工艺，建立了采用化学方法对石墨进行剥离的方法；在此基础上，研究了硅烷偶联剂、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯胺、树枝状大分子在剥离的氧化石墨烯层板上的接枝工艺，建立了在石墨烯层板上接枝功能化有机分子或聚合物的方法；研究了功能化的石墨烯层板的分散性、形貌、结构；研究了单一贵金属、双金属合金、双金属核壳结构纳米簇在功能化石墨烯层板表面的制备方法；研究了功能化分子与石墨烯分散性、纳米簇的负载量、尺寸、以及分散性的关系；研究了负载型贵金属在催化硼氢化物制氢领域的催化活性、稳定性、重复使用性以及催化剂寿命。本项目研究结果中制备的剥离的氧化石墨烯浓度高达80 mg/mL，可稳定存在2年以上；聚苯胺以及聚乙烯吡咯烷酮分子共价接枝的石墨烯在乙醇溶剂中可稳定存在1年以上；聚苯胺共价接枝的石墨烯负载钌纳米簇后，得到了单分散的钌纳米簇，其在石墨烯表面分布均匀，尺寸在5 nm左右。重复使用过程中，催化活性高，且催化剂不脱落。本项目的研究成果对于构筑高效、稳定、可重复使用的负载型纳米贵金属催化剂具有重要意义，可以为新型催化剂结构与性能的设计与调控提供科学依据。发表标注受本项目资助的SCI收录期刊论文9篇，EI收录论文3篇，会议论文5篇；其中SCI 1区收录论文1篇；申请中国发明专利10项，授权4项。