中空多孔碳原位合成单分散金纳米簇用于CO的高效氧化
摘要
负载在介孔基底(碳和硅)中的贵金属（银和铂）是催化CO氧化的热门材料。然而，贵金属的制备和在介孔材料的孔道中沉积后的金属粒度对于环保应用而言是严重的问题。本文采用原位还原法制备了一种既耐用又均匀的金修饰中空多孔碳纳米球(Au/HPCN)催化剂，用于连续CO氧化。在我们的方法中，HPCNs因其热稳定性好、纳米结构清晰、比表面积大而被选为基材。Au纳米团簇由于其稳定性和催化性能被负载在HPCN的孔道中。所合成的纳米复合材料具有均匀的尺寸和高度的多孔结构。此外，无论是在Au3 离子还原过程中，还是在Au / HPCN制备过程中，都发生了CO氧化。
绪论
介孔材料由于具有较大的比表面积、良好的介观结构、较高的稳定性、可调的孔径等优点，在催化领域得到了人们的关注[1, 2]。与普通介孔材料相比，中空介孔材料不仅壳层具有中孔结构，而且含有中空的核，具有更高的孔隙率[3]。因此，它们是提供较好催化剂性能的优良催化剂底物。贵金属纳米催化剂是一种高效的多相催化剂[4-7]。在以往的报道中，采用包裹法制备了贵金属修饰的多孔材料[8, 9]。简言之，将贵金属包裹在软模板层和碳层的双层中，然后通过化学刻蚀去除软模板。但存在合成工艺复杂、金属含量低等问题[10]。催化剂也通过浸渍、分解、沉积-沉淀等步骤合成[11, 12]。金属的分布不均匀，主要分布在表面而不是介孔材料的孔道上[13]。在此，我们设计了一种高效CO氧化的原位化学还原法，通过高聚物将高度分散的金纳米团簇均匀地负载到中空多孔碳纳米球( HPCNs )孔道中。
HPCNs具有优异的化学和热稳定性、良好的纳米结构、较大的比表面积、较好的导电性和固有的疏水性等特点，是最受欢迎的介孔材料之一[14-17]。通常，HPCNs是通过一种繁琐的模板法制备的[18-20]。该方法一般包括3个步骤：制备固体球形模板，在其上包裹碳前驱体，碳化，消除模板。制备方法相当复杂，需要较长时间。本文通过聚苯胺共聚吡咯( PACP )前驱体的简单碳化处理制备了高比表面积的HPCNs[21]。
自从Haruta等人首次发现小金纳米粒子能在低温下催化CO氧化以来，金纳米粒子被研究者广泛研究[22]。此外，金属的高活性和稳定性也有助于其优异的催化性能[23-25]。在以往的报道中，合成催化剂的基本方法是通过化学还原金属前驱体，将其与介孔碳材料一起分散在超纯水中。然而，该方法得到的金属材料主要残留在HPCN内部而非外部，且分布不均匀[26, 27]。
在这项工作中，我们旨在设计一种新的、简便的合成路线，用原位生成的单分散金纳米团簇(NCs)制备HPCNs，用于连续氧化CO。在制备过程中，HPCNs的通道作为容器，CO作为弱还原剂。具体合成工艺如图1所示。采用乳液聚合法制备了具有中空介孔结构的PACP前驱体。然后，采用原位还原的方法将Au-NCs负载到HPCN的孔道中。以CO为常用的弱还原剂，原位还原Au3 离子，实现了催化剂形成前后CO的连续催化氧化。此外，Au/HPCN具有持久性和耐久性，有望成为处理发动机燃烧引起的CO污染的一种方便催化剂。
示意图1. Au/HPCN的制造工艺。首先，通过对通过简便聚合步骤制备的PACP前体进行碳化处理来制备HPCN。其次，将HPCNs浸入HAuCl4溶液中以通过CO还原合成Au / HPCN。
