新型結構高活性的納米TiO2可見光催化劑的制備

本項目采用PCVD、磁控濺射等方法，利用雙相摻雜調(diào)控技術，制備具有金屬或非金屬離子雙相摻雜的表面多元組分協(xié)同作用的高活性納米TiO2可見光催化劑。并通過分析測試技術和光催化實驗，測定催化劑的精細結構、微觀表面多元結構和紫外、可見光催化活性，研究固/液界面紫外、可見光催化機理。建立制備新型結構高活性納米可見光催化劑新方法和調(diào)控催化劑精細結構和微觀表面多元結構的新技術，為設計、構建和研制高效率、高性能化、智能化和多功能化光電功能材料奠定基礎。

原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）是一種先進的薄膜沉積技術。利用ALD的技術特點和優(yōu)勢，可設計合成新型高效納米催化劑，并可精確地調(diào)控催化劑的表界面結構。中國科學院山西煤炭化學研究所煤轉化國家重點實驗室研究員覃勇帶領的研究團隊，利用ALD技術設計制備出一種多重限域的Ni基加氫催化劑。與未限域的催化劑相比，多重限域的Ni基催化劑對于肉桂醛以及硝基苯的加氫催化反應的活性、穩(wěn)定性得到顯著的提高。相關工作近日發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.。

該方法具有普適性，可以用來合成其他體系的限域催化劑，用于催化不同的反應，為未來高效納米催化劑的設計提供了重要的科學參考。

金屬—氧化物載體的界面結構強烈影響多相催化劑的性能。精確地設計、調(diào)控界面結構，對于新型高效催化劑的制備非常重要。該研究團隊利用ALD技術，以碳納米螺旋或者碳納米管為模板，在模板表面首先沉積NiO納米粒子，然后再沉積Al₂O₃納米薄膜，經(jīng)過煅燒、還原處理后，得到氧化鋁納米管（ANT）包覆的Ni催化劑（Ni-in-ANTs）。這樣的途徑使得Ni粒子不僅被限域在氧化鋁納米管中，還被嵌在氧化鋁納米管內(nèi)壁的凹坑中，稱之為多重限域。改變NiO納米粒子和Al₂O₃納米薄膜的沉積順序，經(jīng)過煅燒、還原處理，制備出Ni粒子負載在納米管外壁的未限域催化劑（Ni-out-ANTs）。大量的表征結果證明，二者具有相同的Ni含量、Ni納米粒子尺寸、氧化鋁納米管管壁厚度、孔道結構以及Ni還原度。然而，對于肉桂醛以及硝基苯催化加氫反應，Ni基多重限域催化劑的活性遠遠高于未限域的催化劑。這是由于限域催化劑中的Ni粒子被限域在氧化鋁納米管內(nèi)壁的凹坑中，具有了更多的Ni-Al₂O₃界面位點，其金屬-載體之間的相互作用更強，促進了氫溢流現(xiàn)象，從而提高了催化劑的加氫反應活性。另外，氧化鋁納米管可以保護限域在其中的Ni粒子，阻止其在反應中脫落、溶釋，使得多重限域催化劑比未限域的催化劑具有更好的循環(huán)使用穩(wěn)定性。