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纳米金催化剂研制成功

纳米金催化剂研制成功,可抗1100℃高温!

文章来源: 中国科学院大连化学物理研究所、科学网       发布时间:2018-10-26

黄金,是具有永久价值的“高贵”金属,一直作为人类社会财富和权力的载体而得到青睐。然而,决定黄金这种“高贵”地位的化学惰性,曾一度让化学家喜欢不起来。直到20世纪80年代,科学家发现纳米小尺寸金粒子对许多化学反应都具有非凡的催化作用,并由此引发了催化领域乃至纳米科技领域的“淘金热”。这种高化学惰性和高催化活性的巨大反差,刷新了人们对黄金的认识,是纳米金的首度惊艳亮相。


纳米金催化剂研制成功,可抗1100℃高温!


然而,与纳米金非凡催化活性伴生的先天不足是其热稳定性极差。据测算,2纳米大小的金粒子在330℃就会熔化成液滴,像露珠在荷叶上一样,很容易聚集到一起变成催化活性差的大粒子。黄金的熔点低(1064℃,铂1763℃),让稳定小尺寸金纳米粒子成为近乎不可能实现的任务。金的低熔点和高热稳定性这一对冤家能否像其高化学惰性和高催化活性一样,相杀相生,再度令人惊艳?


近日,中科院大连化学物理研究所航天催化与新材料研究中心张涛院士和李为臻研究员团队与清华大学李隽教授团队合作,制备出来可抗1100℃高温的纳米金催化剂,将尺寸约为3纳米的金粒子的稳定温度提高到黄金的熔点以上,相关研究成果发表于《纳米快报》上。


纳米金催化剂研制成功,可抗1100℃高温!

论文被选为当期补充封面


金属纳米催化剂的催化活性与热稳定性一般呈此消彼长的跷跷板关系,即金属粒子的尺寸越小,催化活性越好,但热稳定性越差,容易团聚形成活性较差的大尺寸粒子。与已被广泛用作催化剂的铂族金属相比,黄金的化学惰性较高,熔点较低,上述特征在纳米金催化剂上表现更为明显,严重阻碍了纳米金催化剂的工业化应用。


小尺寸金纳米粒子是众多金原子球的紧密聚集体。氧化物载体可以看做是大量氧负离子球的堆积体,氧负离子球的空隙中填充了直径更小的金属阳离子球。这些氧负离子球的空隙也是金原子球喜欢停留的落脚点。简单的讲,金纳米粒子和氧化物载体可以分别类比成具有凸柱和凹槽的乐高砖块。很显然,只有凸柱和凹槽的尺寸和周期性分布都很匹配的时候,两块乐高砖块才可以牢固的结合在一起。





大连化物所制备出抗1100℃高温的异质孪晶纳米金催化剂


如何找到适合纳米金“乐高砖块”的氧化物“乐高砖块”呢?研究团队通过理论计算发现,镓酸镁尖晶石氧化物是理想的选择之一。果然,经过实验,将小尺寸金纳米粒子负载在镓酸镁尖晶石后,约3纳米大小的金纳米粒子在经过800甚至1100摄氏度焙烧后仍然存在!


研究人员基于构筑金属-氧化物外延结构匹配界面策略,通过理论计算预测,选取氧亚晶格参数比金晶格参数大的镓酸镁(MgGa2O4)尖晶石载体,成功制备出了可抗1100 ℃高温的纳米金催化剂,金粒子尺寸可保持在——3.6 nm。研究发现,金与镓酸镁尖晶石长在一起,形成了一种全新的金属-氧化物“异质孪晶”结构,改变了金纳米粒子的熔化行为,即使在黄金的熔点温度下(1064.2℃),仍不发生熔化,抑制了小尺寸金粒子的团聚。


在高于黄金熔点的温度下,金纳米粒子仍然稳定存在,这显然违反了单质金晶体所必须遵循的热力学定律。预示着金与镓酸镁尖晶石结合后,已经改变了性质。确实,在高倍电子显微镜下观察被加热到1100摄氏度的样品发现,金粒子牢固地与镓酸镁尖晶石结合在一起,仍然以纳米晶体的结构存在,并未被熔化成液滴。二者像长在一起一样,形成了一种新的物质结构,研究者称之为金属-氧化物“异质孪晶”结构。


这种金与载体界面结构的变化,并未影响金纳米粒子的其他表面上金原子的催化能力。由于其同时具有很高的热稳定性和催化活性,有望推动纳米金催化剂在众多重要化工及环保催化反应过程中的工业化应用进程。比如,该催化剂即使经过800摄氏度高温焙烧后,仍能在较低的温度下高效地催化一氧化碳和碳氢化合物的氧化反应,可以解决当前柴油车尾气氧化催化剂在低温时消除上述污染物不力的问题。

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