[發(fā)明專利]石墨烯@貴金屬納米簇@二氧化鈦三層結構催化劑及其制備方法和應用

在審

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• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN111250079A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設計）人: 李杲;郭嵩;張佳
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J23/42
• 分類號: B01J23/42;B01J23/44;B01J23/52;B01J37/03;B01J37/10;C01B15/029
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發(fā)明公開了一種(氧化)石墨烯@貴金屬納米粒子@片狀二氧化鈦三明治結構催化劑及其制備方法和氫氣氧氣直接合成雙氧水應用，屬于無機催化劑制備與雙氧水合成技術領域。利用溶解熱合成技術和貴金屬沉積沉淀原理，成功實現(xiàn)在溫和反應條件下設計制備出(氧化)石墨烯@貴金屬納米粒子@片狀二氧化鈦三明治結構催化劑，而后利用該二維催化劑獨特催化特性通過氫氣和氧氣直接制備綠色化學品雙氧水。該二維催化劑具有貴金屬納米粒子均一高分散特性、對活性位點有很好的保護作用和制備簡單方便的特點，特別地，該二維催化劑材料對于氫氣氧氣直接合成雙氧水技術具有顯著提升。

技術領域

本發(fā)明屬于無機催化劑制備與雙氧水合成技術領域，具體涉及一種(氧化)石墨烯@貴金屬納米粒子@片狀二氧化鈦三明治結構催化劑及其制備方法和氫氣氧氣直接合成雙氧水應用，

背景技術

近年來，隨著納米催化劑的開發(fā)應用，為進一步提高催化劑性能，從單一組成向多組分單元復合結構發(fā)展，彌補單一材料的缺陷完成協(xié)同催化的作用，并且支撐載體方面也在進行復合材料開發(fā)。隨著二維材料發(fā)展，二維結構負載型納米催化劑也被開發(fā)利用。這是因為二維結構由于自身特點對催化作用有一個提升作用而受到人們的重視。

眾多二維材料中，石墨烯是最為引人關注的，并且在催化領域得到廣泛發(fā)展。石墨烯由于具有規(guī)整的二維表面結構，其表面的缺陷位點為金屬的生長提供了位置，可以認為石墨烯特殊的結構和物理特征對負載金屬催化劑起到電子改性作用，石墨烯負載型催化劑會表現(xiàn)出不同的催化活性，所以選擇它作為一種催化劑載體。雙氧水是最為重要的一種化學品，其在很多領域可作為一種環(huán)境友好的氧化劑使用，這是因為其副產(chǎn)物只有水。在2010年全球雙氧水的生產(chǎn)能力是三百萬噸，然而預計在2015年總需求量要超過四百三十萬噸，現(xiàn)在工業(yè)的制備方法主要采用電解法和蒽醌法，其中蒽醌法的產(chǎn)量占比超過95％。但蒽醌法制備雙氧水存在一些問題：1、這種生產(chǎn)方式只能適用于大規(guī)模生產(chǎn)，并且在運輸和儲存過程中需要采取安全措施。2、生產(chǎn)過程釋放有機氣體，排放廢水和固體廢料，所以需要一種高效并且清潔的生產(chǎn)方式來取代。這樣氫氣氧氣直接合成雙氧水技術就應運而出，這種生產(chǎn)方式綠色環(huán)保并且具有原子經(jīng)濟效益。

發(fā)明內(nèi)容

因此，我們提出并設計制備了一種(氧化)石墨烯@貴金屬納米粒子@片狀二氧化鈦三明治結構催化劑，其表面被(氧化)石墨烯所覆蓋，這樣既能保護貴金屬粒子又能保留有納米粒子的催化活性，為了能夠?qū)①F金屬納米粒子夾持在不同載體間，又選擇了常用的催化劑載體二氧化鈦來完成復合催化劑的設計，并且將二氧化鈦的微觀形貌通過調(diào)控制備成片狀，片狀二氧化鈦同樣能夠為貴金屬粒子提供擔載位置，如此就構成了三明治結構的催化劑。這種催化劑的微觀形貌設計最大程度的保護了貴金屬納米粒子的活性位，使其分散更為均勻。將制備的催化劑應用于雙氧水合成，對雙氧水的選擇性優(yōu)化到60％-80％，轉化率約為50％，獲得了較好的收率結果具有工業(yè)應用的前景。

本發(fā)明的目的在于提供一種(氧化)石墨烯@貴金屬納米粒子@片狀二氧化鈦三明治結構催化劑及其制備方法和氫氣氧氣直接合成雙氧水應用。利用水熱合成技術和化學沉積沉淀特性，成功實現(xiàn)在溫和反應條件下組裝制備二維層狀復合催化劑。通過溶劑熱方式制備片狀二氧化鈦，再通過剝離石墨獲得(氧化)石墨烯，利用貴金屬離子的沉積沉淀特性，將貴金屬離子溶液與(氧化)石墨烯溶液混合并還原，再通過加入片狀二氧化鈦制備得到二維層狀催化劑材料。該催化劑材料由于其特殊的二維結構和貴金屬粒子被夾持和保護，使其對氫氣氧氣直接合成雙氧水的選擇性和轉化率得到改變，優(yōu)化了雙氧水的制備合成工藝，使反應時氫氣的濃度在爆炸極限之外，真正實現(xiàn)了雙氧水綠色合成和原子經(jīng)濟制備。

本發(fā)明的技術方案是：

本發(fā)明一方面提供一種(氧化)石墨烯@貴金屬納米粒子@片狀二氧化鈦催化劑，所述催化劑為二維三層結構；所述催化劑的上層和下層分別為(氧化)石墨烯和片狀二氧化鈦，中間層為貴金屬納米粒子所述催化劑中(氧化)石墨烯含量為3wt％-50wt％；貴金屬納米粒子含量為0.5wt％-5wt％。