[发明专利]一种金纳米粒子催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金催化剂，尤其是涉及一种以二维硅结构层状材料的纳米层间为反应空间制备金纳米粒子催化剂的方法，和一种由该方法制得的金纳米粒子催化剂，该催化剂可用于消除一氧化碳。

背景技术

随着社会的进步，CO的排放量逐年增加，它已成为许多环境的主要污染物，特别是火灾现场、矿井等空气中的致命物质。CO是一种无色无味易燃、易爆、对人体有害的气体污染物，能与人体中的血红蛋白结合，从而阻止血红蛋白向人体器官运送氧气。CO在空气中达到10ppm就会对人体有害，因此如何除去CO污染是当今社会研究的热点之一。

近年来，汽车尾气污染已成为大气污染中的第一大污染源。大气污染中，汽车尾气排放所造成的污染占大气污染的60％-70％，据研究资料统计，在70年代，全世界作为人为污染源一年间向大气排放的一氧化碳的总量为3.59亿吨，其中由汽车排放的一氧化碳为2.25亿吨，占一氧化碳总量的63％，由此可见，CO的氧化反应是消除空气污染尤其是汽车尾气净化的重要反应之一。传统CO氧化是把催化剂活性组分Ru、Pt、Pd、Rh等负载在金属氧化物载体上，虽然对CO有很好的催化活性，但其需要的反应温度很高，在室温下对防毒面罩、居室空气净化等不能起到有效作用。Moussa等(Sherif Moussa，et.al.，Chem.Phys.Lett.，2011，510，179-184)用激光照射法在石墨烯上负载Pt、Pd、CoO和Pd-CoO纳米粒子，活性最好的Pd-CoO纳米粒子CO完全氧化也要在195℃。金属氧化物担载的金催化剂是CO低温消除可选催化剂，但其选择性较低。Yu等(Yeon-Tae Yu，et.al.，Sens.Actuators，B，2011，157，444-449)用微波法和沉淀法在SnO₂表面负载金纳米粒子形成核壳结构，对CO氧化低于100℃，但制备的催化剂前体在300～600℃煅烧，可促使金纳米颗粒聚集生长，缩短了使用寿命。Wang等(Xiaohong Wang，et.al.，Environ.Chem.Lett.，2011，9，185-189)将金纳米粒子负载在Al₂O₃上制备的催化剂可使CO在0℃甚至更低温度下完全氧化，但是这种催化剂稳定性较差，他们尝试通过加入Rh来提高其催化剂的稳定性，但其催化反应后纳米粒子的尺寸显著增大。高分散的金纳米粒子催化剂对于一氧化碳低温完全氧化具有很高的催化活性，在汽车尾气净化、燃料电池原料气纯化、室内空气净化、CO₂激光器气体纯化等很多方面得到应用，因此怎样制备这种高分散、不易团聚、稳定性好的金纳米粒子催化剂仍然是一项挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金纳米粒子催化剂制备方法，还提供一种由该方法制得的金纳米粒子催化剂，利用二维硅结构层状材料特殊的层间效应控制金纳米粒子的尺寸，并抑制其团聚，该催化剂低温下对CO氧化具有较高的反应活性，催化反应后，催化剂易于回收处理，催化剂稳定性好，耐用性强。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种金纳米粒子催化剂的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将带有氨基官能团的硅烷化合物均匀分散到质量百分比为8～18wt％的表面活性剂水溶液中，使该带有氨基官能团的硅烷化合物的质量百分比为5～15wt％，再用稀酸调节使该混合溶液的pH值在2～4之间，并且在1～50℃恒温水浴反应18～72h后，对该混合溶液进行离心、过滤，用去离子水和无水乙醇进行若干次洗涤，真空干燥12～48h后得到具有氨基官能团的二维硅结构层状材料；

(2)将该二维硅结构层状材料加入到无水乙醇中，并进行超声使得该二维硅结构层状材料完全分散到无水乙醇中，形成混合悬浊液，该二维硅结构层状材料的质量百分比为0.002～5wt％；将氯金酸溶液加入到该混合悬浊液中，并进行超声使氯金酸溶液分散均匀，该氯金酸与二维硅结构层状材料的质量比为1∶10～1∶30；再将该添加了氯金酸溶液的混合悬浊液进行旋蒸干燥得到浅黄色沉淀，然后从新分散到无水乙醇溶液中；

(3)将抗坏血酸溶液加入到步骤(2)中最后所制得的溶液中并进行搅拌直到该溶液完全澄清，滴加NaBH₄，使溶液中的抗坏血酸与NaBH₄的摩尔数与氯金酸的摩尔数保持在4～9之间，对溶液进行连续搅拌2～24h，得到二维硅结构层状材料负载金纳米粒子的悬浊液；

(4)对步骤(3)中最后所制得的悬浊液进行离心、过滤，获得金纳米粒子催化剂；