[发明专利]一种高效催化活性纳米材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米催化材料技术领域，涉及枝状双金属结构纳米材料及其制备方法，具体为一种高效催化活性纳米材料及其制备方法。

背景技术

贵金属如银Ag，金Au，铑Rh，铂Pt和钯Pd的纳米材料由于具有一些特殊的光学和电学性质而被越来越广泛地使用在催化、传感等领域。然而，目前比较商业化的纳米材料大多数以纳米颗粒的形态存在。这些应用要更加商业化，存在一些亟须解决的问题：例如，将独立的纳米颗粒组装成功能性系统仍然是一个巨大的挑战；此外，拥有足够大的比表面积和表面活性的贵金属催化材料，往往需要比较高的成本。为了克服这些障碍，通过调节形态和成分来最大化贵金属催化材料的催化活性则显得非常的必要。

双金属枝状材料在这样的背景下孕育而生。首先，其枝状结构，作为纳米量级构建单元的组装体，具有有趣的分级结构和分形形态，往往呈现出比较大的比表面积。这一方面有利于功能系统的组装，另一方面则能显著提高材料表面反应活性。其次，其双金属结构由于拥有金属间界面往往表现出比它们所对应的单金属更为高效的催化活性。

目前，关于枝状的双金属结构纳米材料的研究非常稀少。2008年有见日本早稻田大学Tetsuya Osaka小组采用电沉积法制备出双金属Pd/Co纳米枝状材料；2009年有见美国华盛顿大学夏友楠教授小组采用种子生长法制备出双金属Pd/Pt纳米枝状材料。这些枝状双金属纳米材料中，两种金属不仅是在材料的表面而且在其内部也形成了一定量的双金属结构。单种贵金属催化材料内部成分，或者上述枝状双金属纳米材料内部的双金属成分，事实上在催化反应中，由于无法与被催化物质接触而根本无法起催化作用，结果造成较大的贵金属浪费。那么如何保证贵金属与被催化物质既能充分接触，又能不造成相对贵重金属的巨大浪费？这就需要发展一种方法能够将相对贵重的金属催化剂精确的“铺展”在相对便宜的枝状金属表面的方法。此外在目前的科研，生产中，种子生长法和电沉积法在操作，成本，适用性，和产物分离等方面都还存在着诸多不足。因此设计一套简易、合理、经济、快捷并且能够大范围适用的枝状双金属结构纳米材料的制备方案并研究该种材料催化活性在纳米催化材料领域是一个非常重要和迫切的研究课题。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有枝状双金属结构的纳米材料很少，目前已有研究的枝状双金属结构易造成较大的贵金属浪费，且其制备方法在操作，成本，适用性，和产物分离等方面都还存在着诸多不足，针对以上问题提供一种具有特殊形态和结构的高效催化活性材料及其制法，这种催化材料兼具枝状形态和双金属结构，表现出高效的表面活性，可用于化工中一些有机物的催化降解，且此催化活性材料的制法简易、合理、经济、快捷并且能够大范围适用。

本发明的技术方案为：一种高效催化活性纳米材料，为枝状的银/金双金属纳米结构，兼备枝状的形态和Ag/Au双金属的结构，相对贵重的金属金在相对便宜的金属银表面外延生长。

本发明高效催化活性纳米材料的制备方法为：室温条件下，在高度为0.05～0.15cm的容器内均匀铺展一层硝酸银AgNO₃溶液，所述容器底部做为衬底，采用纯度为99.8％以上的高纯度薄铜片，铜片厚度0.05mm-0.5mm，铜片的边缘面与AgNO₃溶液充分接触，进行2～4分钟的置换反应，在衬底上生成一层纳米枝状Ag；去离子水清洗生成的纳米枝状Ag，再将其浸泡在氯金酸HAuCl₄溶液里4～12分钟，在纳米枝状Ag表面置换外延生长金属金Au，将所得产物分别在氯化钠NaCl溶液、去离子水中浸泡清洗，在氮气中晾干，制得枝状银/金双金属结构纳米材料。

作为一种优选方式，所述容器以硅衬底为底，容器壁为玻璃，在其中一侧容器壁与硅衬底之间设置铜片，铜片的边缘面与容器壁平齐，铜片厚度为0.1mm。

进一步的，化学反应的温度条件为25度，AgNO₃溶液的浓度为0.05mol/L，氯金酸HAuCl₄溶液浓度为0.005mol/L。

制得的纳米枝状Ag用去离子水反复清洗、去除残余离子Ag⁺、Cu²⁺、NO₃^-；浸泡在HAuCl₄溶液里反应后，用饱和NaCl溶液反复清洗，去除沉淀在枝状双金属纳米材料上的AgCl固体，在去离子水中反复清洗，去除残余离子Na⁺，Cl^-。

本发明的有益效果：