二维层状高分散金属催化剂的制备与应用

摘要

二维层状材料是一类应用前景极其广泛的新兴材料，因其结构上的各向异性导致在物理化学性质上有许多独特的表现而引起研究者们的广泛关注与研究兴趣。本文基于制备特殊结构的高分散金属负载的二维层状纳米材料并使其在热催化领域中具有良好应用的研究目的，结合不同类型层状材料的结构特点，设计新颖的制备方法，对不同类型层状材料负载同种金属以及同种层状载体材料负载不同金属催化剂进行了基础研究与探索。论文研究课题为二维层状高分散金属催化剂的制备与应用，内容主要围绕层状石墨烯材料负载贵金属催化剂以及层状氧化钛纳米材料负载金属催化剂的制备与应用进行展开。论文具体研究内容与结果如下：
　　1）设计新的硬模板法成功地制备出了层状含氮石墨烯负载贵金属钌催化剂
　　（Ru-NG），并通过一系列表征手段证实催化剂结构。证实金属Ru纳米粒子高度分散于催化剂载体上，且纳米粒子大多数在0.9-1.5 nm之间，金属离子尺寸相比于常规浸渍法制备的Ru/AC催化剂的金属Ru纳米粒子的分布更为均一。金属表面主要元素物种包含C、N、O和Ru；N物种包含吡啶氮、吡咯氮和石墨氮；随着Ru含量的增加，其催化剂载体中石墨氮的含量逐渐减少，sp2杂化的富电子的吡咯氮和吡啶氮与Ru有一定的相互作用，对催化剂金属纳米粒子的稳定和分散起着重要作用。在二氧化碳加氢生成甲酸的反应中，Ru-NG催化剂相较于Ru/AC催化剂表现出优异的催化活性。
　　2）同样采用以上硬模板法制备层状石墨烯负载钯催化剂，初步表征结果论断材料可能为单原子催化剂，催化剂尝试应用于二氧化碳加氢生成甲酸反应、乙炔选择加氢生成乙烯反应及乙烷高温裂解反应中，由于材料制备方法不同于常规制备负载型催化剂方法，并没得到预期的催化性能。对Pd-NG催化剂的结构和催化性能还有待进一步研究。
　　3）采用传统固相法制备出层状氧化钛纳米材料，重复材料制备，筛选其不含杂相的层状氧化钛作为催化剂载体。采用离子交换法制备Ru/HTiO催化剂，并且系统的探索催化剂的影响因素，包括HCl、温度、时间等催化剂制备条件对催化剂负载量的影响；催化剂负载量、还原温度、载体对催化剂结构的影响。将Ru/HTiO催化剂应用于RWGS、F-T以及二氧化碳加氢生成甲酸反应中表现出较好的催化活性。此外，我们分别制备了钛酸盐负载钌催化剂（Ru-CsTiO）及纳米颗粒氧化钛负载钌催化剂（Ru-TiO2）进行对比实验研究。
　　4）我们对层状氧化钛材料及其负载型金属催化剂的耐温性能做了一定的研究，层状氧化钛层间为水分子，其材料结构耐温性能并不高。实验结果表明催化剂在低温条件下，其层间结晶水失去，但催化剂物相并没有较大变化；温度超过450 oC时，其类纤铁矿晶型结构则开始向锐钛矿晶型结构转化。对于层状氧化钛负载型催化材料的耐温性能的提高将是层状氧化钛催化材料的重要研究方向。

目录

声明

第一章 文献综述与选题

1.1 层状化合物的分类

1.2 石墨烯纳米材料的研究进展

1.3 层状氧化钛纳米材料的研究进展[53]

第二章 含氮石墨烯负载钌催化剂的制备和应用

2.1 实验部分

2.2 结果与讨论

2.3 小结

第三章 含氮石墨烯负载钯催化剂的制备与应用

3.1 实验部分

3.2 催化剂表征结果与讨论

3.3 催化剂活性测试

3.4 小结

第四章 层状氧化钛负载金属钌催化剂的制备与应用

4.1 实验部分

4.2 实验结果与讨论

4.3 小结

第五章 层状氧化钛及其负载型催化剂的热稳定性

5.1 实验部分

5.2 实验结果与讨论

5.3 小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读学位期间发表的学术论文