α-Fe2O3纳米棒和Au/α-Fe2O3催化剂及其合成和应用制造技术

本发明专利技术公开了α‑Fe2O3纳米棒和Au/α‑Fe2O3催化剂及其合成和应用。本发明专利技术α‑Fe2O3维持多孔纳米棒状结构，Au粒子的平均尺寸从2.2nm增加到8.6nm。同时，α‑Fe2O3纳米棒状结构还可调变Au纳米粒子的形貌，经300,400,500℃焙烧后的Au/α‑Fe2O3催化剂上Au纳米粒子的形貌分别为二维薄层状、三维截角八面体和片状截角八面体，体现出α‑Fe2O3棒状结构在分散和稳定Au纳米粒子结构上的独特性。所制备的Au/α‑Fe2O3催化剂可在室温下催化CO氧化，其反应速率达0.8047molCO/gAuh。

Alpha -Fe2O3 nanorods and Au/ alpha -Fe2O3 catalysts and their synthesis and use

The invention discloses a Fe2O3 nanorods and Au/ alpha Fe2O3 catalyst and its synthesis and application. The alpha Fe2O3 maintain porous nano rod structure, the average size of Au particles increases from 2.2nm to 8.6nm. At the same time, the morphology of alpha Fe2O3 nanorods can be modulated by the morphology of Au nanoparticles, Au/ alpha Fe2O3 catalyst 300400500 C after calcination on the Au nanoparticles were two-dimensional thin, three-dimensional truncated eight surface and truncated sheet eight surface, reflecting the alpha Fe2O3 rod structure in the unique dispersion and stability the structure of Au nanoparticles. The Au/ alpha Fe2O3 catalysts can catalyze the oxidation of CO at room temperature, the reaction rate was 0.8047molCO/gAuh.

【技术实现步骤摘要】
α-Fe2O3纳米棒和Au/α-Fe2O3催化剂及其合成和应用
本专利技术涉及一种多孔α-Fe2O3纳米棒及其合成方法。本专利技术涉及一种α-Fe2O3负载Au纳米粒子催化剂及调控Au/α-Fe2O3催化剂上Au纳米粒子形貌的的合成方法。本专利技术涉及一种Au/α-Fe2O3催化一氧化碳室温氧化反应的应用。
技术介绍
α-Fe2O3具有优异的氧化还原性能和晶相稳定性，被广泛作为负载金属纳米粒子的催化剂载体。比如，Au/α-Fe2O3催化剂通过金属与载体的相互作用呈现出优异的催化CO氧化反应性能[Chem.Lett.,1987,16,405；J.Catal.,1989,115,301；Science,2008,321,1331；Catal.Sci.Technol.,2013,3,2881]。大量研究表明α-Fe2O3的形貌和尺寸是影响Au/α-Fe2O3催化剂性能的关键因素之一；如G.H.Wang等将Au纳米粒子负载在不同尺寸和形貌的α-Fe2O3纳米材料上，发现缺陷位较多的纳米纺锤体α-Fe2O3所制备的Au/α-Fe2O3催化CO氧化的活性远高于菱形α-Fe2O3纳米粒子负载的金催化剂[Appl.Catal.A,2009,364,42]。A.Gedanken等利用含有1-5nm孔状结构的α-Fe2O3纳米棒负载金纳米粒子时，发现其CO氧化的活性高于以球形纳米粒子负载的金催化剂，其原因在于这种孔状的α-Fe2O3可以很好的分散和稳定1-5nm的金纳米粒子[Chem.Mater.,2007,19,4776]。影响Au/α-Fe2O3催化剂性能的另一个关键因素是Au纳米粒子的形貌。如A.A.Herzing等发现Au/α-Fe2O3催化CO氧化的活性位为具有双层结构的Au纳米簇，而单层结构的Au纳米簇催化CO氧化的活性则较差[Science,2008,321,1331]。但由于α-Fe2O3载体尺寸和形貌的不均一，Au活性物种的比例小于20％，导致Au原子利用效率较低。到目前为止，在调控α-Fe2O3载体上Au物种形貌方面仍然缺乏有效的技术路线。此外，Au/α-Fe2O3催化剂在焙烧处理过程中，普遍存在着Au纳米粒子易烧结变大，导致催化剂性能的大幅度下降。如J.Hua等人利用共沉淀法制备的Au/α-Fe2O3催化剂于350-550℃焙烧2h后，Au纳米粒子尺寸从5.7nm增长到8.5nm，而且其尺寸分布范围明显宽化(3.0-18.0nm)[Appl.Catal.A,2004,259,121]。P.Landon等人利用共沉淀法制备的Au/α-Fe2O3催化剂于400-600℃焙烧3h后，近球形Au纳米粒子尺寸从3.7nm增加到16.1nm[J.Mater.Chem.,2006,16,199]。从上述研究进展中可以看出，如何抑制Au/α-Fe2O3催化剂上Au纳米粒子在焙烧过程中的烧结，尤其是在α-Fe2O3载体上选择性调控Au物种的形貌仍然是当前纳米材料和纳米催化研究领域的挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多孔α-Fe2O3纳米棒的制备方法。本专利技术的目的提供利用上述α-Fe2O3纳米棒调控Au纳米粒子尺寸和形貌，解决Au纳米粒子高温易烧结，分散度下降的问题。本专利技术的目的提供上述α-Fe2O3纳米棒负载Au纳米粒子为催化剂应用于室温CO氧化反应。本专利技术的目的是通过如下技术方案来实现的：一种α-Fe2O3纳米棒合成方法，包括以下步骤：(1)将无机铁盐、NaCl、聚乙二醇(PEG-400)溶解于一定量的水中，形成铁离子浓度为0.05～0.2mol/L的溶液，搅拌并升温加热至100～140℃；(2)将一定量的0.1～0.5mol/L的Na2CO3溶液缓慢加入到上述溶液中，搅拌老化1小时，体系的pH为8.0～12.0；(3)将老化的产物经过滤、洗涤、干燥后，得到β-FeOOH纳米棒；(4)在β-FeOOH前驱体在300～600℃℃空气焙烧3～6小时，得到α-Fe2O3纳米棒。所述铁盐为FeCl3·6H2O；所述的溶剂的体积比为PEG/H2O＝1/19；所述体系中NaCl的质量浓度为58.5g/L。所述的体系的铁离子浓度0.05～0.2mol/L为优选。所述体系的Na2CO3浓度0.1～0.5mol/L为优选。所述的体系pH＝8.0～12.0为优选。所述的反应温度以100～140℃为优选。采用RigakuD/MAX-2500/PC型X射线粉末衍射仪表征产物结构，其XRD测试结果如图1a所示，表明产物为晶相单一的α-Fe2O3。采用HitachiHT7700型透射电镜观察α-Fe2O3的形貌，测试结果如图2，直径为40-50nm，长度为300-500nm，同时具有多孔结构。一种α-Fe2O3负载活性Au纳米粒子催化剂合成方法，包括以下步骤：(1)利用所述的α-Fe2O3纳米棒作为载体，分散到(2～5)×10-4mol/L金盐水溶液中，并加热至60～100℃；(2)将一定量的0.005～0.02mol/L的Na2CO3溶液缓慢加入到上述溶液中，调节pH为5.0～7.0，搅拌老化1小时；(3)将固体产物经过滤、洗涤、干燥后，在300～500℃空气中焙烧，得到产品Au-T催化剂(T表示焙烧温度)。所述金盐为HAuCl4水溶液，浓度以(2～5)×10～4mol/L为优选。所述沉淀剂为Na2CO3水溶液，浓度以0.005～0.02mol/L为优选。所述的体系以pH＝5.0～7.0为优选。所述的反应温度以300～500℃为优选。采用RigakuD/MAX-2500/PC型X射线粉末衍射仪表征产物结构，其XRD测试结果如图1b-d所示，表明产物为晶相单一的α-Fe2O3，峰形尖锐，表明产物结晶度良好。采用JEM–ARM200F型透射电镜观察Au/α-Fe2O3的形貌，Au粒子的尺寸在2.2～8.6nm的范围内可调；Au纳米粒子的形貌分别为二维薄层状、三维截角八面体和片状截角八面体。利用α-Fe2O3纳米棒负载Au纳米粒子催化剂用于室温CO氧化反应，包括以下步骤：(1)利用所述的α-Fe2O3纳米棒负载Au纳米粒子催化剂15～200mg，在300℃、20vol.％O2/N2气氛下预处理1～2h，降至室温(25～30℃)；(2)在室温(25～30℃)、通入反应气体1.0vol.％CO/2.5vol.％O2/He，流速50～200mL/min,反应12h；所述催化剂用量以15～200mg为优选。所述反应预处理时间以1～2h为优选所述反应流速以50～200mL/min为优选。采用气相色谱在线分析产物，其CO氧化反应结果如图6所示，Au-300和Au-400催化剂的CO的转化率分别为95％和24％，而Au-500催化剂则几乎没有活性，体现出明显的尺寸敏感性。相应的反应动力学数据见表1，其中可以看出当Au粒子的平均尺寸从2.2nm(Au-300)增加到3.5nm(Au-400)，反应速率从0.8074减低为0.0392molCO/(gAuh)；而当金粒子平均尺寸增大到8.6nm时，则几乎没有催化活性。本专利技术的效果及优点是：(1)使用多元醇法合成α-Fe2O3纳米棒，工艺简单，环境友好；(2)使用无机金源，沉积沉淀法制备Au/α-Fe2O3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种α‑Fe2O3纳米棒，直径为40‑50nm，长度为300‑500nm，比表面积为79g/m

【技术特征摘要】
1.一种α-Fe2O3纳米棒，直径为40-50nm，长度为300-500nm，比表面积为79g/m2。2.一种权利要求1所述α-Fe2O3纳米棒的合成方法，其工艺步骤为：(1)将可溶性无机铁盐、NaCl、聚乙二醇(PEG-400)溶解到水溶液中，形成铁离子浓度为0.05～0.2mol/L的溶液，搅拌并升温加热至100～140℃；(2)将0.1～0.5mol/L的Na2CO3溶液缓慢加入到上述溶液中，搅拌老化1小时以上，控制体系的pH为8.0～12.0；(3)将老化的产物经过滤、洗涤、干燥后，得到β-FeOOH纳米棒；(4)在300～600℃空气中焙烧3～6小时，得到α-Fe2O3纳米棒。3.根据权利要求2所述的α-Fe2O3纳米棒的合成方法，其特征在于所述铁盐为FeCl3·6H2O。4.根据权利要求1所述的α-Fe2O3纳米棒的合成方法，其特征在于：所述体系中聚乙二醇与H2O的体积比为1/19。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：申文杰，魏雪姣，周燕，李勇，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21