负载型Pt-Ni纳米催化剂的制备及其对4-硝基苯酚的催化性能研究

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对氨基苯酚作为重要的工业原料,被普遍使用于医药、染料和精细化工等方面。目前较为环境友好、经济有效的制备方法是使用催化剂通过硼氢化钠催化还原对硝基苯酚来制备对氨基苯酚。双金属纳米粒子因为具有独特的电子效应和协同作用被广泛应用于催化领域。近年来,制备均匀分散、尺寸小、高活性的双金属负载型纳米催化剂起了众多科研工作者的研究兴趣。本课题分别以石墨烯、碱熔埃洛石纳米管为载体制备负载型Pt-Ni合金纳米催化剂,并对其在对硝基苯酚(4-NP)的催化还原中的催化性能进行了研究。具体研究内容如下:  (1) Pt-Ni/RGO的制备、表征与对4-NP的催化性能研究  以GO为过渡载体,NaBH4为还原剂,采取同步共还原法制备了不同Pt-Ni摩尔比例Pt-Ni/RGO纳米催化剂,单金属Ni/RGO、Pt/RGO和纯金属Pt-Ni(1:9)纳米催化剂,采用TEM(HRTEM)、ICP、FTIR、Raman、XRD、XPS对制备的催化剂进行表征。结果分析显示Pt-Ni/RGO纳米催化剂与纯金属复合物相比颗粒尺寸很小且分散良好,其中Pt-Ni/RGO(1:9)催化剂的金属颗粒平均粒径最小(10 nm),分布范围最窄。  以4-NP催化还原反应评估所制备的催化剂的催化活性,研究不同Pt-Ni摩尔比例、反应温度对催化性能的影响。结果表明:Pt-Ni/RGO纳米催化剂的催化活性与单金属Ni/RGO、Pt/RGO和纯金属Pt-Ni(1:9)纳米催化剂相比都有很大的提高。Pt-Ni/RGO纳米催化剂中,Pt-Ni/RGO(1:9)的反应速率最高(0.3700 min-1),8 min内4-NP的转化率可达到95%,活化能最低(29.1 kJ/mol),催化活性最好且稳定性良好。  (2)Pt-Ni/rHNTs的制备、表征与对4-NP的催化性能研究  以NaNO3为熔融盐,Na2CO3作为刻蚀剂,采用熔盐法对埃洛石进行改性制备了表面粗糙的埃洛石管(rHNTs)。然后以rHNTs为载体通过一步溶剂热法合成了不同Pt-Ni负载量的Pt-Ni/rHNTs纳米催化剂,作为对比,也采用相同的方法制备了Pt-Ni/HNTs(1 wt%)纳米催化剂。采用TEM(HRTEM)、ICP、AFM、XRD、XPS对制备的催化剂进行表征。结果显示Pt-Ni/rHNTs纳米催化剂真实负载量要比Pt-Ni/HNTs(1 wt%)高,Pt-Ni/rHNTs纳米催化剂的Pt-Ni纳米粒子平均粒径都在2 nm左右,分散性很好。其中Pt-Ni/rHNTs(1 wt%)纳米催化剂金属颗粒平均尺寸最小(1.6 nm),尺寸分布最窄。  以4-NP催化还原反应对所制备的催化剂的催化活性进行评估,研究不同Pt-Ni负载量对催化性能的影响。结果表明:不同Pt-Ni负载量的Pt-Ni/rHNTs纳米催化剂的催化活性都大于Pt-Ni/HNTs(1 wt%)。Pt-Ni/rHNTs纳米复合物催化还原4-NP的反应速率常数k随着Pt-Ni负载量的增大而增大,TOF值随金属负载量的增加先增大后减小,在负载量为1 wt%时出现一个峰值。所以Pt-Ni/rHNTs纳米催化剂的Pt-Ni纳米粒子最佳负载量为1 wt%,选择该催化剂进行后续稳定性研究。重复利用六次后,Pt-Ni/rHNTs(1 wt%)的催化性能没有显著的下降,催化剂循环利用后表征表明重复利用六次后Pt-Ni纳米粒子仍然负载在碱熔埃洛石表面尽管有部分团聚。所以结果证明Pt-Ni/rHNTs(1 wt%)纳米催化剂的回收利用性和稳定性良好。
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