[发明专利]一种负载纳米金的磁性纳米催化剂的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种负载纳米金的磁性纳米催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

磁性纳米粒子作为纳米材料的一个重要门类，除了具有纳米材料的一些宏观、微观特性外，还具有超顺磁性、量子尺寸效应、表观磁性等一系列其他专属特性，广泛应用于实际中各个领域。目前，磁性纳米材料有很多种，其中磁性Fe₃O₄纳米粒子是一种重要的尖晶石型铁氧体，具有制备工艺简单、价格低、无毒、无污染等优点，正日益获得广泛关注。磁性Fe₃O₄纳米粒子以其优越的气湿敏、磁敏特性在气湿敏传感器件、高密度磁记录材料、核磁共振造影成像以及药物控制释放等领域有着广阔的应用前景。

金属金在宏观上没有催化活性，但是在纳米级别具有优良的催化活性，与其相关的催化性能研究得到了快速发展。金纳米粒子(AuNPs)由于具有大的比表面积，作为催化剂在有机反应、电化学催化、还原催化、氢化催化中表现出高活性和选择性。但由于其高表面能，纳米粒子极易团聚，使其催化性能随重复使用次数的增加逐渐下降。为了抑制AuNPs的团聚，可将其固载于各种结构的载体材料上。

纳米金作为一种贵金属催化剂，如何在保留其高效催化活性的基础上降低使用成本是围绕纳米金研究的热点话题。经对现有技术的文献检索发现，The Journal of Physical Chemistry C期刊中2011年115卷第5期1614-1619页上发表的《Multifunctional magnetic composite microspheres with in situ growth Au nanoparticles:a highly efficient catalyst system》(原位生长纳米金多功能磁性功能微球：一个高效催化体系)一文中，采用聚苯乙烯磺酸钠和聚丙烯胺基盐酸盐在磁性粒子表面形成一层高聚物网络，再将纳米金沉积于其表面，该研究中以高聚物网络作为负载媒介，制备过程较为复杂。在已公开的相关专利(如CN102974314A)中，有学者将氨基修饰于磁性纳米粒子表面，利用氨基与纳米金的吸附制得一种复合材料。这种以氨基与纳米金之间的吸附实现磁性纳米粒子和纳米金的结合方式，存在的问题在于氨基与纳米金两者之间的作用力偏弱，会影响后期使用中纳米金的负载稳定性及可重复使用性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有纳米金与磁性纳米粒子复合催化剂制备工艺存在的上述问题，提供一种负载纳米金的磁性纳米催化剂的制备方法。本发明通过将纳米金负载在磁性纳米粒子表面，制得了一种可多次回收使用的磁性纳米催化剂，在对硝基苯酚还原反应中，其表现出了优异的催化活性，并在回收利用了8次以后，催化效率仍达到了92.2％。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种负载纳米金的磁性纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(a)对磁性纳米粒子进行二氧化硅包覆，得到包硅磁性纳米粒子；

(b)将包硅磁性纳米粒子分散在醇溶剂中，加入带有巯基的硅烷偶联剂进行改性，得到巯基化磁性纳米粒子；

(c)将巯基化磁性纳米粒子分散在水中，加入纳米金粒子，得到负载纳米金的磁性纳米催化剂。

按照上述方案，步骤(a)具体为：将磁性纳米粒子分散在醇溶剂中，依次加入氨水和正硅酸四乙酯，室温搅拌得到包硅磁性纳米粒子，其中磁性纳米粒子乙醇分散液、氨水和正硅酸四乙酯的体积比为50:1:0.5。

按照上述方案，步骤(b)具体为：将包硅磁性纳米粒子分散在醇溶剂中，加入适量氨水并搅拌，接着向溶液中滴加带有巯基的硅烷偶联剂，室温下继续搅拌24小时后过滤并洗涤多次，得到巯基化磁性纳米粒子。

进一步的，步骤(b)中包硅磁性纳米粒子醇溶液、氨水以及带有巯基的硅烷偶联剂的体积比为50:0.5-5:0.25-2.5。通过调整带巯基的硅烷偶联剂的量，实现调控包硅磁性纳米粒子表面的巯基修饰密度，相应的调整氨水的用量，提供必要的水解条件。

按照上述方案，步骤(c)具体为：分别将巯基化磁性纳米粒子和纳米金分散在水中，将两种分散液按比例混合均匀，室温搅拌12小时，收集磁性纳米粒子将其再次分散在水中，重复分散多次后经离心、冷冻干燥，得到负载纳米金的磁性纳米催化剂。