[发明专利]一种多级结构多重封装的金纳米催化剂及其合成方法

说明书

技术领域

本发明属于多孔材料合成技术领域及催化技术领域，具体涉及一种多级结构多重封装的金纳米催化剂及其合成方法。

背景技术

纳米催化剂是指催化剂颗粒尺寸为纳米级的催化剂。贵金属纳米催化剂因其独特的体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等性质，在物理化学、能源化工、污染治理等领域有着很重要的应用，并已经成为近几年人们研究的热点。因为贵金属纳米粒子具有量子尺寸效应，所以当纳米颗粒尺寸下降到一定值时，纳米颗粒就具有突出的光学非线性、特异催化活性等性质，而且这种效应导致纳米催化剂的尺寸越小越有利于催化的进行。大量研究表明，亚纳米尺度的团簇比纳米尺度的颗粒拥有更好的催化活性和选择性。因此减小粒子或者团簇的尺寸到单原子级别对促进催化反应来讲是非常可取的措施。但是，减小纳米催化剂粒子尺寸获得高催化效率的同时，纳米催化剂粒子的活性会增加，这会导致纳米颗粒极易发生团聚失去活性，同时其分离重复利用性也会变得越差。这问题大大限制了贵金属纳米催化剂的广泛应用，因此制备高效稳定的催化体系有着重要的意义。

负载型的催化体系可以很好的解决上述问题。在选择载体的时候，通常要求载体的比表面积尽可能大，稳定性尽可能高。大的比表面积可以提供更高的固载量和更广的接触面积，从而增加催化剂的催化效率。高的稳定性能够为纳米粒子的催化提供一个稳定的环境。而多孔结构的纳米材料拥有普通材料不具备的优点，如高比表面积、渗透性、分子筛分功能、尺寸选择效应、热稳定性高等，使其成为贵金属纳米颗粒理想的载体。传统负载催化剂的多孔材料是微孔材料，可是其孔道狭小，很难把纳米颗粒进行担载，于是人们开始用介孔材料进行担载，但是这种单一介孔材料担载容易堵塞孔道。故而人们用大孔材料进行担载，不过大孔孔道过大，容易导致催化剂流失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多级结构多重封装的金纳米催化剂及其合成方法，解决传统纳米催化体系存在的稳定性低、循环性差等问题。

一种多级结构多重封装的金纳米催化剂的合成方法，包括如下步骤：

(1)采用溶胶凝胶法合成介孔SiO₂纳米小球，再用索氏提取器回流提取除去介孔SiO₂纳米小球中含有的表面活性剂；

(2)金纳米团簇溶液的制备：用硼氢化钠做还原剂，氯金酸作为金源，去离子水作为溶剂、谷胱甘肽做保护剂，反应合成金纳米团簇，反应结束后，向反应液中加入甲醇，离心收集上层清液，取上层清液即为金纳米团簇溶液；

(3)将苯乙烯溶解于去离子水中，在氩气保护下加入二硫酸钾进行老化反应，随后经浓缩后得到聚苯乙烯小球乳液；

(4)取步骤(1)反应得到的介孔SiO₂纳米小球分散在去离子水中，加入过量地步骤(2)反应得到的金纳米团簇溶液，充分混合、搅拌吸附和离心洗涤后，得到负载金纳米团簇的介孔SiO₂小球，将其超声分散在去离子水中，得到负载金纳米团簇的介孔SiO₂小球水溶液；

(5)取步骤(3)中反应得到的聚苯乙烯小球乳液与步骤(4)得到的负载金纳米团簇的介孔SiO₂小球溶液混合，将混合溶液超声分散后向其中加入硅源，然后置于烘箱静置老化，随后经煅烧后得到多级孔结构多重封装的金纳米催化剂。

上述方案中，步骤(1)所述溶胶凝胶法合成介孔SiO₂纳米小球的过程为：将去离子水、乙醇、十六烷基三甲基氯化铵和二乙醇胺混合，搅拌混匀后，加入正硅酸四乙酯，置于60℃～70℃条件下反应2～3h；所述十六烷基三甲基氯化铵、去离子水、乙醇、二乙醇胺和正硅酸四乙酯的摩尔比为1:490:24:0.23：4。

上述方案中，步骤(1)所述索氏提取器回流提取的回流液体为体积比3:1的乙醇/浓盐酸混合液，回流提取的温度为130℃，回流提取的洗涤时间为8h。

上述方案中，步骤(2)所述氯金酸、去离子水、谷胱甘肽和硼氢化钠的摩尔比为1:120000:1.7:8.8，所述反应的温度为0℃～4℃，反应的时间为10～12h，所述甲醇的加入量为反应液体积的1/2～2/3倍。

上述方案中，步骤(3)所述苯乙烯、去离子水和二硫酸钾的摩尔比为1:85.4:0.01，所述老化反应的温度为80℃，时间为12h，所述聚苯乙烯小球乳液的固含量为20～22wt％。

上述方案中，步骤(5)所述硅源为正硅酸四甲酯或正硅酸四乙酯。