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河北科大段彦栋/燕大王德松Appl. Catal. B-Environ.:构建负载型银纳米复合材料作为一种超高效催化剂的新策略

河北科大段彦栋/燕大王德松Appl. Catal. B-Environ.:构建负载型银纳米复合材料作为一种超高效催化剂的新策略 邃瞳科学云
2020-10-19
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导读:本文作者展示了一种新颖的并且可控的合成策略来制备大孔树脂基银纳米复合材料。制得的纳米银具有优秀的尺寸及分布,最重要的是该催化剂表现出超高的催化活性。

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成果简介
多孔材料负载型金属催化剂是一类重要的催化剂。纳米银是贵金属材料中相对廉价且化学性质稳定的材料是物理化学、材料等科学领域研究的热点。由纳米银尺寸问题导致团聚仍是影响其催化性能的主要因素如何制备分散性能好的纳米银催化剂,开发新的纳米银制备方法以及选择优异的载体是发挥其性能的关键因素。在这篇文章中,作者利用了市面上常见的苯乙烯系大孔树脂对其进行磺化改性,制备成离子交换树脂后与AgNO3进行离子交换。之后创新性的摆脱惯用的在液体中进行化学还原的方法,利用香草醛蒸汽对银离子原位还原在气/固界面处生成纳米银颗粒。

Fig.1 Schematic illustration of ion exchange process and the formation of Ag NPs on MR support in the presence of gaseous vanillin.


图文解析
在对纳米银颗粒的微观表征中发现,原位生成的纳米银颗粒不仅粒径尺寸均匀,并且能够均匀的分布在大孔树脂的孔道中,有效地防止了纳米银的团聚。在高倍透射电子显微镜中发现这种新的气相还原方法中生成的纳米银颗粒有一种新的原子级台阶表面结构

Fig.2 (e) HAADF-STEM image of Ag/MR-3. (f) Aberration-corrected HAADF-STEM image of Ag/MR-3. (g) and (h) EDS mapping images of Ag and S elements in Ag/MR-3.


文章之后以对硝基苯酚(4-NP)转化为对氨基苯酚(4-AP)作为模型反应考察复合材料的催化性能,发现该材料表现出优异的催化性能。综合考虑对其反应机理做出分析得到以下结论首先是对纳米银颗粒的台阶表面通过理论计算得出台阶表面更有益于反应物的化学键断裂,从而大大提高了反应活性。
Fig. 3 (a) and (b), the optimized configurations of BH4- and 4-NP on Ag(111) and stepped Ag(111) surfaces, respectively. The yellow, silver, red, pink, and green sphere represents Ag, O, H, N, and B atoms, respectively

其次是通过测定不同磺化程度的复合材料的zeta电位以及催化活性,证明磺酸基团本身的电负性对反应物以及反应产物产生了推拉效应,即吸附反应物,脱附反应产物。

 

Fig.4 Schematic illustration of pull-push effect for 4-NP hydrogenation



总结与展望
总而言之,本文作者展示了一种新颖的并且可控的合成策略来制备大孔树脂基银纳米复合材料。制得的纳米银具有优秀的尺寸及分布,最重要的是该催化剂表现出超高的催化活性。可以将本文所述的制备大孔树脂负载Ag纳米颗粒的新策略进一步推广,以制备其他种类的负载型金属纳米复合材料。

课题组介绍
段彦栋博士现为河北科技大学化学系副研究员,主要研究领域为新型能源关键材料中的表界面问题等。

张丙凯博士现为广东工业大学副教授。主要从事能源材料科学研究,研究领域包括动力电池储能材料,高性能全固态电池的无机固态电解质机理分析。

王德松教授现任职于燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室。研究领域为功能材料,有机无机复合材料以及精细化学品。


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