金属纳米树脂高分子复合材料的制备及其性能研究

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金属纳米催化剂在催化领域占据着重要的地位,至今关于金属纳米催化剂的研究仍然是重要的研究课题。随着技术的发展,金属纳米催化剂的制备方法也有了很大的发展。其中化学合成法因具有制备工艺简单、条件相对温和、合成的金属纳米颗粒粒径均匀以及催化活性高等诸多优点,而被广泛使用。目前,前人已使用化学合成法制备了一系列金属纳米催化剂,这些催化剂大多数是选用金属氧化物或非金属化合物作为基底,在基底上合成金属纳米颗粒,再经过一系列处理最终形成的复合型催化剂。前人研究发现复合型催化剂的高效催化源于金属纳米颗粒的电子特性,而复合型催化剂基底的电子特性会对负载于其上的金属纳米颗粒产生较大的影响。因此,本论文选用富电子的树脂高分子为基底,使用化学合成法制备了金纳米树脂高分子复合材料(Au@D201)和铜纳米树脂高分子复合材料(Cu@732),并对它们的合成方法、形成机理及各种性能进行了探究。该论文的主要内容包括以下三部分:1,Au@D201的制备及表征结果以大孔型阴离子交换树脂D201(D201)为基底通过静态吸附还原法制备了Au@D201。通过透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)表征发现该材料中金纳米颗粒粒径均匀且极小(仅为7 nm)。对比金纳米颗粒负载前后D201树脂压汞测试所得的孔容、孔径和比表面积等参数,发现负载金纳米颗粒后D201树脂的比表面积增加,孔容从94.9 cc/g降到了17.6 cc/g。结合TEM和SEM表征结果,发现金纳米颗粒均匀分散在树脂的表面及孔洞中(大部分金纳米颗粒分布于孔洞中)。对比Au@D201和D201树脂的X射线衍射(XRD)表征结果,发现D201树脂在负载金纳米颗粒后,其特征峰的强度随着金纳米颗粒负载量的增加而降低。在30 o处出现了一个新的峰,峰强随着金纳米颗粒负载量增加而增强。我们认为这是由于树脂中负载的金纳米颗粒起到了交联点的作用,改变了树脂的有序度,因此形成了新的峰。X射线光电子能谱(XPS)测试发现金元素是以单质状态存在,但是金的特征峰发生了0.57 eV的偏移,表明基底材料与金纳米颗粒之间存在较强的相互作用。我们认为这种相互作用是树脂骨架中苯环上电子与金纳米颗粒之间的共轭相互作用。它起到了固定金纳米颗粒和增强金纳米颗粒分散性的作用。也正是这种共轭相互作用使金纳米颗粒成为了树脂新的交联点,使树脂的有序度发生了改变。2,Au@D201的催化性能研究我们通过调节金纳米颗粒的负载量制备出了金纳米颗粒负载量为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%和2%的一系列金纳米树脂高分子复合材料(X%Au@D201)。并将它们应用于对硝基苯酚(4-NP)还原反应检验其催化性能,研究不同金纳米颗粒负载量对X%Au@D201催化性能的影响。结果显示金纳米颗粒负载量为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%和2%的复合材料,其比催化效率分别为4.8 s-1g-1、8.6 s-1g-1、14.8 s-1g-1、18.2 s-1g-1、27.8 s-1g-1和36.5 s-1g-1。既使是金负载量仅为0.1%的0.1%Au@D201也具有优异的催化性能。对X%Au@D201的高效催化机理进行探究发现,树脂基底与金纳米颗粒之间的相互作用和金纳米颗粒的小粒径是高效催化的重要原因。3,Cu@732的制备与其催化性能研究在Au@D201的研究基础上,本文进一步选用六种不同类型树脂作为实验材料,对比分析各种树脂对Cu2+的吸附能力及对铜纳米颗粒的负载能力,筛选出了吸附性及负载能力最强的阳离子交换树脂732(732)作为载体,制备了Cu@732。并通过调控搅拌转速、吸附温度和溶液pH等条件,研究不同吸附条件对732树脂吸附Cu2+能力的影响。发现在搅拌速率为200 r/min、吸附温度为30℃且溶液pH=6时,732树脂对铜离子的吸附性能最佳。使用TEM、SEM和XRD表征了Cu@732的形貌特征,发现Cu@732中铜纳米颗粒分散性良好且粒径均匀,粒径约10 nm。应用4-NP的还原反应探究Cu@732催化性能,发现其具有优异的催化性能。
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