[发明专利]一种轻质负载型磁性金属复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种轻质负载型磁性金属复合催化剂，包括载体以及负载在所述载体上的纳米颗粒，其中，所述载体为微米级空心球体；所述纳米颗粒为磁性催化剂纳米颗粒。该复合催化剂中纳米颗粒粒径可调、负载量可调、成分可调，且该复合催化剂利用空间效应有效阻止了纳米颗粒的团聚、通过成分调控实现了催化活性的提升、提高了纳米颗粒负载量、集合了自漂浮分离和磁分离的双重分离特性。本发明还公开了该复合催化剂的制备方法和应用。

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域。更具体地，涉及一种轻质负载型磁性金属复合催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近年间，纳米催化剂的研究备受青睐。纳米粒子表面缺陷和配位不饱和度，使其活性中心密度高于相应的本体大尺寸材料，从而具有更高的催化活性。然而，纳米粒子在合成和应用过程中的易聚集和难分离的问题，制约了纳米催化剂的性能稳定性和经济高效的应用。为了避免活性纳米颗粒团聚，构建大尺寸载体负载型结构是可行的策略，该结构可通过空间阻隔效应有效阻止纳米颗粒的聚集。已报道的载体有石墨烯类、活性炭、多孔氧化物、(多层)核壳结构、金属氧化物纳米颗粒等，这些结构在一定程度上缓解了纳米颗粒的团聚，但是其本身存在的一些局限性带来了新的问题。如具有多孔结构型复合催化剂，丰富的孔洞和空腔结构提供较大负载表面的同时，阻碍了活性组分的高效利用；石墨烯、金属氧化物纳米颗粒型复合催化剂因自身的表面能高或者本征磁性而存在自发聚集的问题；活性炭类和多孔二氧化硅类负载型复合催化剂存在分离回收困难的问题。因此，需要开发出组成和结构易于调整、分离回收便捷、不影响传质的负载型复合纳米催化剂。

空心微球是一种微米级球形粉体材料，微米级尺寸使其具有很强的表面可操控性，且自身聚集倾向小，是负载型复合催化剂载体的优良候选。近年，基于微米级空心微球载体合成复合催化剂材料的报道较少。对于以空心微球为载体的负载型磁性金属催化剂而言，催化活性物质的种类、组成配比、颗粒大小、负载量、微观结构等因素对其催化活性、操作方便性和应用经济性发挥着决定性作用。但是，目前在中空微球负载型催化剂的结构和组成设计以及制备方法开发方面存在不足，严重制约了轻质微球负载型金属催化剂的设计、制备与应用开发。

发明内容

基于以上问题，本发明的一个目的在于提供一种轻质负载型磁性金属复合催化剂，以克服常用纳米催化剂颗粒易团聚和难回收、贵金属成本高以及载体局限性、负载量低等缺点。

本发明的第二个目的在于提供一种轻质负载型磁性金属复合催化剂的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种轻质负载型磁性金属复合催化剂的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种轻质负载型磁性金属复合催化剂，包括载体以及负载在所述载体上的纳米颗粒，其中，所述载体为微米级空心球体；所述纳米颗粒为磁性催化剂纳米颗粒。

进一步地，所述复合催化剂的密度小于水。

进一步地，所述纳米颗粒在所述载体表面呈岛状分布。

进一步地，所述复合催化剂中，纳米颗粒的负载量为0.02-30wt％，优选为1-10wt％。示例性的为1.5-10wt％、1.5-9wt％、1.8-8.5wt％等。

如无特殊说明，本发明中的负载量均是指纳米颗粒质量占复合催化剂总质量的百分比。

进一步地，所述磁性催化剂纳米颗粒的组成选自：铁、钴、镍、磷、硼中的一种或其中的两种形成的二元合金或其中的三种形成的三元合金。可以理解，当该纳米颗粒为合金(二元合金、三元合金)时，其组成中至少包含前述金属(铁、钴、镍)中的一种。优选地，合金中，金属成分比例可控，金属摩尔比范围0.1-10。

进一步地，所述纳米颗粒的粒径为10-500nm，优选为10-50nm。