[发明专利]碳包覆过渡金属的纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种碳包覆过渡金属的纳米复合材料，所述纳米复合材料包括载体及负载于所述载体上的核壳结构，所述核壳结构的壳层为含有氧的石墨化碳层，所述核壳结构的内核为过渡金属纳米颗粒。通过以过渡金属为内核构建核壳结构，并负载于载体上形成纳米复合材料，使纳米复合材料的传质效率及强度均得到提高，并使材料具有较好的颗粒形态和较少细粉，可更好的应用在固定床反应器上。此外，该纳米复合材料还可以为具有丰富介孔或同时具有微孔和介孔的多级孔结构材料，有利于在更多应用，特别是催化领域的应用中，更好地发挥作用。

技术领域

本发明涉及碳包覆金属复合材料领域，具体涉及一种碳包覆过渡金属的纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

有研究表明，以碳纤维、纳米金刚石、碳纳米管、(氧化)石墨烯等为代表的纳米碳催化剂，对烃类的催化直接脱氢、氧化脱氢、卤化、羟基化、烷基化以及醛酮的液相氧化、缩合反应等一系列反应都有催化活性。纳米碳催化剂的活性位点主要为碳材料自身的结构缺陷、杂原子官能团，因此为了提高纳米碳材料的催化活性，需要增加结构缺陷以及杂原子官能团的数量，但这样做又会导致材料自身稳定性的下降。

过渡金属纳米材料因具有优异的光学、电学、磁学及催化性能而受到广泛关注，但由于过渡金属纳米颗粒的活性较高，极易发生团聚或被氧化，甚至在空气中自燃，大大影响了这类材料的性能及应用。过渡金属纳米材料的催化活性较高但稳定性差，而纳米碳材料有较好的化学稳定性但需要进一步提高催化活性，若以恰当的方式将二者结合，则可能产生新的协同效应，使其展现出新的独特性能。

目前已有通过碳材料包覆过渡金属的相关文献报道，但现有的此类材料在实际应用中仍存在各种问题，例如制造条件苛刻、工艺复杂、包覆率低、包覆不严密，引入含氧基团时需用硝酸处理，容易破坏碳包覆层，对金属内核造成不利影响等，无法适用于工业化生产和应用。比如以金属-有机骨架化合物(MOF)为前驱体热解的方法，该方法需要在高温、高压下于溶剂中制得具有周期性结构的晶态固体材料(即MOF)，通常制备MOFs的条件比较严格，所需配体价格昂贵，并且很难进行大量生产；此外，该方法制备的复合材料中对金属粒子的包覆不严密。又如CN 105032424A一种用于芳香硝基化合物选择性氢化的催化剂，该文献包覆金属粒子的方法是pechini法(溶胶凝胶法)，与MOF法类似，该方法也需要于溶剂中制得固体的配位聚合物，且该方法制备的复合材料中对金属粒子的包覆也不严密。

介孔材料一般具有大的比表面积和比较规则的孔道结构，使其能够在大分子的分离、吸附、催化反应中发挥更好的作用，并且可能成为限域催化的微反应器。由于水热稳定性高、疏水性强、亲有机物等特点，使介孔碳材料在加氢、氧化、分解等反应中表现出独特的优势。如能在上述碳包覆过渡金属材料中制造出介孔结构，则可明显改善其传质效率，提高其使用性能。目前，介孔碳材料的制备方法主要是催化活化法、有机凝胶碳化法和模板法，但这些方法的制备过程仍过于复杂。

此外，碳包覆金属纳米粒子颗粒较小，存在较多细粉，在一些特殊领域，例如固定床反应器中应用时会存在一些问题。因此，迫切需要具有较好的颗粒形态、强度和较少细粉的碳包覆金属纳米粒子复合材料。

需注意的是，前述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳包覆过渡金属的纳米复合材料及其制备方法和应用，该纳米复合材料以含有氧的石墨化碳层包覆过渡金属纳米颗粒形成核壳结构，且该核壳结构负载于载体上，进一步改善了该复合材料的颗粒形态并提高了其强度。此外，该纳米复合材料还可以具有丰富的介孔结构，尤其是同时含有微孔和介孔的多级孔结构，可用于各类催化加氢反应提高催化效率，还可以应用于处理挥发性有机化合物(VOCs)。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：