具有可调控双金属纳米晶内核的夹心二氧化硅球的合成与催化性能研究

To obtain the nano-catalysts with high activity, selectivity and stability, this project build a rattle-type silica dioxide sphere with bimetallic nanocrystal core. The mesoporous shell and hollow structure of the rattle-type silica dioxide sphere allows reactive molecules of catalytic reaction to go into the sphere and reach the surface of the bimetallic nanocrystal core, and the mesoporous shell prevents the aggregation of the inner cores, which make these rattle-type silica dioxide spheres with bimetallic nanocrystal cores have high catalytic activity and stability. In addition, by adjusting the size, morphology, composition and structure of bimetallic core and using the joint effect of two-component metals, higher catalytic activity and selectivity can be obtained than single-component metal. Further systematic investigation of the action mechanisms between the nano-structure of bimetallic nanocrystal core, rattle-type silica dioxide sphere and the catalytic properties, can provide a theoretical basis to design and synthesis the practical and efficient nano-catalysts. This project provides a novel "preshell/postcore" strategy, develops a simple, efficient, universal and easy to scale up preparation method, and fabricates nano-catalysts with high activity, good selectivity and good stability, which is expected to bring a new breakthrough for the development of nano-catalysis, and is bound to have broad application prospects.

为获得高活性、选择性和稳定性的纳米催化剂,本项目首创构建一种具有双金属纳米晶内核的夹心二氧化硅球。夹心二氧化硅球的介孔壳层和中空结构可以允许催化反应中的反应分子进入球内,并到达双金属纳米晶内核表面，同时介孔壳层可防止内核的团聚，使这种含双金属纳米晶内核的夹心二氧化硅球具有高催化活性和稳定性。另外，通过调节双金属纳米晶的尺寸、形貌、组成和结构，利用双金属的协同作用,可获得比单组分金属更高的催化活性和选择性。进一步系统研究双金属纳米晶内核和夹心二氧化硅球的纳米结构与催化性能的作用机制，为设计合成实用、高效纳米催化剂提供理论依据。本项目创新提出新型"先壳后核"的策略，发展一种简单、高效、普适性强且易规模化生产的制备方法，制备出活性高、选择性好和稳定性佳的纳米催化剂，有望为纳米催化的发展带来新的突破，必将具有广阔的应用前景。

为获得高活性、选择性和稳定性的纳米催化剂，本项目首创构建了一种具有双金属纳米晶内核的夹心二氧化硅球。夹心二氧化硅球的中空结构和介孔壳层可以允许催化反应中的反应分子进入球内，并到达双金属纳米晶内核表面，同时介孔壳层可防止内核的团聚，使这种含双金属纳米晶内核的夹心二氧化硅球具有高催化活性和稳定性。本项目利用有机硅烷即可作为贵金属还原剂又可作为选择性刻蚀剂的双重作用，开发了一种简便、高效的“同步刻蚀生长”方法制备出具有纳米金颗粒内核的中空介孔二氧化硅球，并实现了对金内核尺寸和个数以及二氧化硅直径的调控。利用二氧化硅与有机硅烷共水解所形成的杂化层对酸和碱具有选择性耐受这一特点，合成了具有双壳结构的中空介孔二氧化硅球，实现了二氧化硅的尺寸、空腔、壳层厚度、孔径的可控制备。利用金和钯的还原电势差，通过控制反应温度调节金、钯生长的动力学，创新制备出金钯合金和核壳结构，通过调控双金属纳米晶的组成和结构可获得比单组分金属内核更好的催化活性和选择性。发现中空介孔球可有效阻止纳米晶内核的团聚，且防止了催化活性组分的流失。设计开发了一种“铂离子辅助”法在中空介孔球内合成出二十面体金铂纳米颗粒，首次通过调控金的形貌来提高金在乌尔曼自偶联反应中的活性和选择性, 为同时提高催化活性选择性和稳定性提供了新的策略。利用连续化的三相反应装置，将具有金颗粒内核的中空介孔二氧化硅球用于氢气氧气直接法合成过氧化氢的催化反应中。该材料独特的纳米结构使其具有较好的活性和稳定性，并且易于修饰上利于反应进行的官能团，在合成过氧化氢的反应中显示出比以往报道过的纳米金均要高出数倍的催化活性和选择性，改变了人们对纳米金催化合成过氧化氢活性较低的认识。本项目通过调节双金属纳米晶的尺寸、形貌、组成和结构，利用双金属的协同作用,获得了比单组分金属更高的催化活性和选择性。本项目开发了简单、高效、普适性强且易规模化生产的制备方法，制备出活性高、选择性好和稳定性佳的纳米催化剂，有望为纳米催化的发展带来新的突破，具有广阔的应用前景。