六方氮化硼基纳米材料的结构设计及其催化性能研究

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构效关系是催化反应研究中的重要内容,不同结构、形貌的催化剂往往具有不同的催化性能,因此,设计制备具有特定形貌(如核壳结构、碗状空心球)的纳米材料来提高催化性能是非常有意义的。金属纳米粒子作为催化剂具有易团聚,易氧化等缺陷而严重影响其催化稳定性,核壳结构的设计既能有效阻止粒子间的聚集提高分散度,又能保护金属核稳定从而提升催化剂的活性及耐久度。此外,碗状空心球相比传统的空心球具有低对称性、开窗式结构、更高的堆积密度等优势,使其在相同的条件下能够取得更优异的催化活性。除了合理的结构设计,适当材料的选择同样十分关键。六方氮化硼(BN)可以作为一种优良的催化剂基底,承载各种金属活性粒子用于催化反应,并取得良好的效果。此外,BN在烷烃氧化脱氢制烯烃反应中有着优异的催化产率表现。因此,本文以BN为研究主体,制备了具备特定形貌结构的BN基复合纳米材料并对其催化性能进行了研究,主要内容包括:(1)Co@BN核壳结构纳米复合物的构建。通过一步热处理法在氨气气氛下制备出由BN包裹金属Co粒子组成的Co@BN核壳结构纳米复合物,在曙红Y(EY)作为敏化剂的条件下在可见光区域的产氢性能达到了13.8 mmol h-1 g-1,根据光电化学表征结果可知这种由Co/BN形成的肖特基结能够有效促进光生载流子的传递和分离,同时核壳结构的存在能够有效促进EY在壳表面的吸附,从而提高催化性能,此外BN壳与Co核之间的限域空间可以作为一个纳米反应器,促进氢离子的还原和氢气的释放,因此提升了产氢活性。(2)BN@BPO4碗状空心球的制备。通过一步无模板法设计合成了以BPO4为基底,在氨气气氛下原位生成BN包裹的BN@BPO4碗状空心球泡沫陶瓷材料,具有丰富的孔径分布。通过改变制备条件对其生长机理做了简单的探究,发现碗状空心球的成型遵循Ostwald熟化效应。此外我们还测试了BN@BPO4烷烃氧化脱氢制烯烃的催化性能,结果显示对应产物丙烯和乙烯的产率分别达到了1.76 g C3H6 gcat-1 h-1和1.16 g C2H4 gcat-1 h-1,表明该碗状空心球材料的应用潜力和价值。综上所述,本论文基于BN设计合成了具有特定形貌的核壳结构Co@BN催化剂及碗状空心球BN@BPO4催化剂。这些BN基催化剂表现了出色的催化性能,进一步表明BN在催化领域具有广阔的潜在应用前景。
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