不同纳米形态TiO_2的合成及其负载Au催化剂的特性研究

【摘要】： 负载型纳米Au催化剂是近20年来多相金属催化领域的热点方向,Au/TiO_2是其中的一个典型代表。然而不同形态的TiO_2,特别是一维(1D)TiO_2在充当纳米Au催化剂载体时能否赋予Au/TiO_2更优异的催化作用效果尚少有报道。另一方面,Au/TiO_2在储存过程中的失活已成为阻碍其应用的主要因素。本文在实现了形貌可控合成TiO_2的基础上,研究了Au/TiO_2催化剂结构和性能的关系。探究Au/TiO_2室温存放稳定性的工作首次发现未还原Au3+和吸附H2O对催化剂稳定性有很大影响,据此发展了一种室温保存Au/TiO_2催化剂的方法。 提出了利用TiCl4-丙酮混合物合成TiO_2纳米晶的新方法。在TiCl4/丙酮摩尔比(TiCl4/Ac)不大于1/15时,改变TiCl4/Ac和反应温度可以选择合成锐钛矿TiO_2(TiO_2-A)纳米颗粒,并在4-10 nm范围内调控其尺寸;在TiCl4/Ac≥1/10时,生成金红石型TiO_2纳米纤维。提出了形成TiO_2纳米晶的可能机理。还以乙醇-水混合液代替水,对既有的碱液水热处理粉体TiO_2制备钛酸纳米管的方法进行了改进,实现了钛酸纳米线和纳米管的可控合成。在400oC焙烧后分别制得了TiO_2(B)纳米线(NW-TiO_2(B))和TiO_2-A纳米棒(NR-TiO_2-A)。 用沉积-沉淀法制备了系列Au/1D-TiO_2催化剂,研究了它们对CO氧化和1,3-丁二烯加氢反应的催化性能。对于CO氧化反应,Au/NR-TiO_2-A的催化活性是Au/P25-TiO_2的1.6倍,是Au/TiO_2-A的4倍,是Au/NW-TiO_2(B)的8倍。对于1,3-丁二烯选择加氢反应,Au/NW-TiO_2(B)和Au/P25-TiO_2表现出相当的催化活性,但Au/NR-TiO_2-A的催化活性不足它们的1/3。表明1D-TiO_2是很有发展潜力的Au催化剂载体,有望为研制高性能Au/TiO_2催化剂创造机会。 为提高Au/TiO_2催化剂的存放稳定性,制备了Au3+比例和吸H2O量不同的Au/P25-TiO_2催化剂。发现Au/TiO_2样品中Au3+所占比例越高而吸附H2O量越低,其室温储存稳定性就越高。在此基础上制备了Au3+比例为100%且吸H2O量很低的Au/P25-TiO_2催化剂,它在室温储存150天后的催化活性仍然与新鲜催化剂相当。这些结果表明保持Au物种处于Au3+状态并防止催化剂吸H2O是阻止Au/TiO_2存放失活的关键。