超高热稳定性贵金属纳米催化剂的制备

    负载型贵金属催化剂由于在CO和碳氢氧化、水煤气转化、选择性加氢等众多化学反应中具有非常突出的催化活性，此类催化剂一直是催化领域的研究热点。大量的研究结果表明贵金属催化剂的活性与贵金属纳米颗粒的尺寸密切相关。通常情况下，当金属颗粒尺寸大于7 nm时，贵金属催化剂的活性急剧下降。但尺寸小的金属颗粒具有低塔曼温度和高表面能，其热稳定性通常较低，在热处理过程中会发生严重的烧结现象。正因为如此，目前研究工作者在提高贵金属纳米颗粒热稳定性方面做了大量的研究工作，报道了多种方法和技术，主要包括孔道限域、包埋、合金效应以及通过载体预处理强化金属与载体相互作用等。虽然这些方法可以在不同程度上提高贵金属纳米颗粒的热稳定性，但现有的技术都存在一些缺陷，例如包埋法在提高贵金属纳米颗粒热稳定性的同时也覆盖了催化剂的活性位点，阻碍了反应物与活性位点的接触，大大降低了催化剂的反应活性；而孔道限域的方法虽然可以借助孔道的空间结构限制贵金属的烧结，但同时也增加了反应物和产物的扩散阻力，从而降低催化剂的反应活性。

    研究人员创新性地提出了一种可有效提高贵金属纳米颗粒热稳定的合成方法（Scheme 1），具体策略是：首先，在多巴胺发生聚合反应的体系中，直接加入负载型贵金属纳米催化剂，由于聚多巴胺对于多种材料，包括传统意义上较难修饰的低能表面均具有优异的黏附性，使得多巴胺在贵金属纳米颗粒和载体表面形成多能性有机涂层。其次，通过氮气焙烧将多能性有机涂层转变成炭层，炭化过程中贵金属纳米颗粒大小可得到有效保持，且贵金属纳米颗粒与载体之间的相互作用显著增加，具体表现为金属与载体之间的接触性增强且两者之间发生电子转移。最后，再将由炭层包覆的贵金属纳米催化剂在空气中进行高温焙烧，暴露贵金属活性中心，用于各种催化反应（样品标记为Au/TiO₂-T）。虽然原先包覆在催化剂表面的炭层在空气焙烧过程中会完全消失，但是由于在氮气焙烧过程中贵金属纳米颗粒与载体之间的相互作用得到了加强，从而使贵金属纳米颗粒在空气焙烧过程中发生烧结的可能性得到极大的抑制。同时，包覆在载体表面的炭层可有效提高载体的热稳定性，抑制载体的烧结，从而进一步抑制了贵金属纳米颗粒在空气焙烧过程中发生的烧结。相反，如果直接将未经任何处理的贵金属纳米催化剂置于空气中高温焙烧时（样品标记为Au/TiO₂-T#），贵金属纳米颗粒的烧结现象大幅加剧(见Figure 1)。

    相比于现有的提高贵金属纳米颗粒热稳定性的方法，该方法条件温和，且不受载体和贵金属种类的限制，对Au、Pd和Pt等各种贵金属具有很好的普适性。

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