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形貌和尺寸可控的纳米材料在多相催化有着广泛的应用前景。溶液相中的纳米材料可控合成主要策略是利用保护剂-表面相互作用来调控纳米晶的生长动力学,因此合成的纳米材料表面不可避免地会吸附保护剂分子。催化反应发生在催化剂表面,因此研究纳米材料-保护剂相互作用及其对纳米材料催化性能影响具有重要的研究意义。本硕士学位论文以不同尺寸的PVP保护Pd纳米晶为研究体系,系统研究了Pd-PVP相互作用以及其对Pd纳米晶催化性能的影响,取得如下结果:
以乙烯为还原剂,通过调节PVP的浓度,合成了一系列不同尺寸的PVP保护的Pd纳米晶。发现Pd-PVP相互作用与PVP分子在Pd纳米晶表面的覆盖度有关:当PVP/Pd的比例较高时,Pd的尺寸较小,PVP的表面度盖度较高,PVP与Pd纳米颗粒之间的相互作用是通过PVP分子中>C=O上的O原子吸附在Pd纳米晶表面;当PVP/Pd的比例较低时,Pd的尺寸较大,PVP的表面覆盖度较低,吡咯环上的O原子与N原子能够同时吸附在Pd纳米晶表面,明显影响了吸附PVP分子的结构,甚至导致吸附PVP分子中N-C=O上的C-N键断裂。无论是以O原子还是以N、O原子吸附在Pd纳米晶表面,电荷转移总是从吸附PVP分子到Pd纳米晶。
发现不同尺寸的Pd纳米晶表现出不同的苯甲醇氧化催化活性,详细考察了其反应动力学并计算了其表观活化能和表观指前因子,发现它们符合补偿效应,不同尺寸Pd纳米晶的表观活化能与表观指前因子呈线性关系。一种可能是尺寸依赖的Pd-PVP相互作用,一方面,PVP与Pd纳米晶之间的电荷转移能够降低Pd纳米晶催化苯甲醇氧化的表观活化能;另一方面,PVP在Pd纳米晶表面的强吸附降低Pd纳米晶表面催化活性位数目,从而降低表观指前因子。另一种可能是PVP强吸附中毒了Pd纳米晶表面活性最高但浓度最低的表面活性位,从而在催化反应过程中体现的是活性较低但浓度较高的其它表面活性位。