[发明专利]含有金属纳米粒子催化剂的智能可控催化材料及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及智能化可控催化系统领域，具体指一种含有金属纳米粒子催化剂的智能可控催化材料及其制备方法。

背景技术

当前，化学、化工等领域中催化剂的应用越来越普遍。据统计，目前全世界60％以上的化学化工产品的生产都需要使用催化剂（C.H. Bartholomew, and R.J. Farrauto, Fundamentals of Industrial Catalytic Processes, 2nd ed., Wiley–AIChE, 2005）。近些年来，作为一种新型催化剂，贵金属纳米粒子在催化领域受到了越来越多的重视和应用（D. Astruc, F. Lu, J.R. Aranzaes, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 7852）。因为金属纳米粒子的高比表面积，其可以将异相催化的可循环、可回收使用优势与均相催化的高选择性和高活性结合起来，从而赋予其比传统催化剂体系更优良的性能。但是，也正由于金属纳米粒子的高比表面积，使其在使用过程中比较容易发生团聚现象，即聚集成大颗粒以降低表面能，从而使其催化活性降低。为解决这个问题，将贵金属纳米粒子负载于合适的载体材料上是一个较为理想的方法，这样不但可以防止金属纳米粒子的迁移集聚，而且可以尽量避免纳米粒子催化剂与外界环境中不良因素的接触，更有利于催化剂高效活性的保持。

目前，已有多种载体材料，如有机胶束、大分子聚合物、无机材料等，被用来负载不同类型的催化剂（Y. Wei, S. Han, J. Kim, S. Soh, and B. A. Grzybowski, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 11018；Y. Lu, M. Ballauff, Progress in Polymer Science, 2011, 36, 767）。这些材料在防止纳米催化剂的聚集，保持催化活性等方面都表现出不错的效果。而在这些载体材料当中，智能高分子材料因为不但可以发挥常用载体材料的保护功能，而且在外界刺激下可以对催化剂的催化作用进行“开”、“关”控制，而引起了研究者广泛的兴趣。也即是说，利用智能高分子材料作为金属纳米粒子的载体材料，不但可以有效防止纳米粒子的集聚现象，避免催化活性的损失；而且在外界温度、pH值或光照等因素作用下，可以通过载体材料微观结构的变化来实现对催化反应进行与否的“开”、“关”控制，从而达到智能化可控催化的目的。比如以具有温度敏感性的聚异丙基丙烯酰胺为载体材料，负载金纳米粒子进行4-硝基苯酚的催化还原反应（S. Wu, J. Dzubiella, J. Kaiser, M. Drechsler, X. Guo, M. Ballsuff, Y. Lu, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 2229）。研究结果表明，在温度高于其最低临界胶束温度，约32℃时，因载体材料分子由亲水性转变为疏水性，在水相中发生显著收缩，从而限制了底物分子与催化剂粒子的接触，使催化反应过程被“关闭”；而当温度下降时，载体材料分子重新变为亲水性，催化反应过程“打开”。这种催化体系对外界环境条件变化的智能化响应行为，对于化学化工过程的有效控制和化工产品的高效生产无疑具有非常重要的价值和意义，代表了当前催化领域的一个重要发展方向。

但是，虽然智能催化体系目前取得了不少的成果，但主要仍停留在实验室研究阶段，催化体系的活性“开”、“关”状态必须借助精密仪器的检测分析，难以在工业操作现场进行实时判定，这在一定程度上限制了智能催化体系在大规模工业化生产中的实际应用。从这个角度出发，研发出一种新型智能催化体系，使其在外界条件改变，催化体系发生“开”或“关”状态变化时，能够用简单仪器、甚至肉眼进行实时现场判断，就成为当前催化领域极富挑战的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含有金属纳米粒子催化剂的智能可控催化材料及其制备方法。这种催化材料具有特殊的双层结构：负载金属纳米粒子催化剂的热敏响应层和非响应性的基底层；这种独特的双层结构，使其在外界温度变化时，不但可以进行催化状态的“开”、“关”控制，而且能够同时通过载体材料外形的变化来直观反映催化状态的改变，从而可以直接用肉眼判断出此智能催化体系当前的催化状态。

为达到上述目的，本发明所述的一种含有金属纳米粒子催化剂的智能可控催化材料，所述的催化材料具有双层结构：一层为负载金属纳米粒子催化剂的热敏响应层，另一层为非响应性的基底层。优选的，所述热敏响应层为聚异丙基丙烯酰胺与交联剂的共聚物。