[发明专利]一种Au/RGO复合气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种Au/RGO复合气凝胶及其制备方法和应用，属于催化材料制备和环境净化的技术领域。本发明通过原位还原水热工艺制备了Au/RGO复合气凝胶，在该复合气凝胶中可见尺寸均一的单分散超小Au纳米颗粒（NPs）（平均粒径为1.3nm）均匀分散在RGO纳米薄片上。在水热过程中，前驱物氧化石墨烯（GO）和HAuCl₄被还原，L‑半胱氨酸（L‑cys）作为交联剂和还原剂被氧化成二硫键，同时RGO凝胶化，使得RGO纳米薄片表面嵌有二硫键可以保护单分散超小Au NPs。Au/RGO复合气凝胶显示了优异的催化性能，能将4‑硝基苯酚（4‑NP）迅速还原生成4‑氨基苯酚（4‑AP）。该方法简单、操作方便，减少贵金属的使用量，降低其使用成本，拓宽实际应用，有利于大规模的工业生产，具有显著的经济和社会效益。

技术领域

本发明属于材料制备和环境净化的技术领域，具体涉及一种高效催化还原4-NP废水的单分散超小Au NPs负载的RGO复合气凝胶催化材料及其制备方法。

背景技术

近年来，Au NPs由于具有丰富的活性中心，在各种化学转化中成为一种有应用前景的活泼贵金属催化剂。公认的是，Au NPs的催化性能与其粒径分布和分散程度密切相关。但是，Au纳米粒子通常不稳定，并且由于尺寸效应小和比表面积高而易于团聚，最终限制了它在催化领域的适用性。由于Au NPs具有极高的表面能，合成超小Au NPs仍然是一项非常艰巨的任务。为了避免不可逆的聚集，通常将Au NPs固定在用于多相催化的各种载体上，例如碳材料，聚合物，金属氧化物等，以进一步保持其活性和延长使用寿命。

碳基材料如富勒烯，碳纳米管和石墨烯都被认为是在非均相催化中稳定金属纳颗粒的极佳载体。其中，RGO因其独特的理化特性而受到广泛关注，包括超高电导率，大比表面积，出色的热和电性能。此外，基于RGO生成的气凝胶不仅具有大的开孔，良好的机械性能，易于回收，还有从RGO纳米片中转化而来的特殊性质。RGO气凝胶的独特特性使其成为固定金属纳米颗粒的理想载体。目前，尽管已经对负载金属纳米颗粒的二维RGO纳米材料进行了广泛的研究，但是二维催化剂的再循环使用不方便，催化剂易流失等问题都限制其实际应用，尤其是对于昂贵的金属催化剂在使用过程的流失（例如Au）将造成更大的经济损失。但是，关于易回收、性能稳定的三维Au/RGO复合气凝胶的制备及其在催化还原中的实际应用的研究受到限制。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种新型的Au/RGO复合气凝胶及其制备方法和应用，拟解决传统Au催化剂在使用过程中易团聚、易失活、易流失、不易回收等问题。在本发明中使用GO作为RGO的前驱物，HAuCl₄作为Au NPs（金纳米颗粒）的前驱物，L-cys既作为交联剂又作为还原剂，通过绿色、简便的水热工艺在RGO气凝上制备了平均粒径为1.3nm的单分散超小Au NPs，得到Au/RGO复合气凝胶。在水热过程中，GO和HAuCl₄被还原，L-半胱氨酸被氧化生成二硫键，以及同时发生的RGO气凝胶自组装，使得RGO纳米薄片表面嵌有二硫键，可以保护单分散超小Au NPs。通过此方法获得的Au/RGO复合气凝胶对于将4-NP还原为4-AP的催化反应表现出优异的催化性能。引入RGO气凝胶作为Au NPs的载体可以稳定超小Au NPs，加速Au表面的电子转移，同时还能提高对4-NP的吸附，这些都将提高Au/RGO复合气凝胶的催化活性。此外，在催化反应后，可以用镊子轻松移除整块复合气凝胶，并以不变的性能多次循环使用。对于昂贵的Au NPs而言，这种由超小Au NPs嵌入RGO复合气凝胶组成的易于回收的三维材料将扩展其实际应用。

本发明的技术方案如下：