【催化】SiO2封装保护法制备表面清洁、磁性可回收的Au-γ-Fe2O3介孔团簇高效催化剂

‍‍‍‍

纳米颗粒由于其尺寸小、表面原子比例高、配位不饱和以及大量边角活性位点暴露等特点，在诸多催化反应中展现出独特而高效的催化性能，从而有望大幅增加催化材料的有效利用率和使用范围。然而，在实际应用中，纳米颗粒存在尺寸小、反应结束后分离回收困难的缺陷，因此不利于催化剂，特别是价格昂贵的贵金属催化剂的循环使用及成本把控。近年来，科研工作者们提出可以将具有优异磁性能的材料（通常为廉价的铁基氧化物）和纳米催化材料相结合制备磁性纳米催化材料，从而赋予纳米催化材料在外加磁场下进行方便地分离回收的特性，如此以来既可以获得纳米催化剂的高催化活性，又使催化剂具备独特的高效磁分离特性，达到大幅降低回收难度、减少使用成本的目的。在磁性纳米催化材料合成中，通常需要使用有机表面配体来抑制纳米颗粒的团聚生长，而这又带来了新的问题，即这些配体会吸附在表面活性位点影响催化剂性能。为了更好地暴露纳米颗粒表面的活性位点，煅烧处理去除颗粒表面的配体是最简单有效的策略，但实际煅烧处理会带来两个负面作用：一、纳米颗粒比表面能高，在高温处理的时候容易发生团聚长大导致失活；二、常用的铁基磁性材料无论是Fe₃O₄还是γ-Fe₂O₃都容易在高温煅烧时转化为α-Fe₂O₃失去磁性。

针对上述问题，中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员课题组与北京大学马丁教授、新西兰奥克兰大学Geoffrey I. N. Waterhouse教授合作成功利用SiO₂封装保护法将有机表面配体保护的Au-Fe₃O₄双聚体经组装和煅烧等步骤制得具有高催化活性、优异磁回收性能以及高循环稳定性的Au-γ-Fe₂O₃磁性介孔团簇催化剂（图1）。在整个合成设计中：一、利用Au-Fe₃O₄双聚体的独特结构对Au纳米颗粒进行保护，有效地抑制了Au纳米颗粒的迁移团聚和生长，使其保持纳米尺寸从而具有较高的催化活性；二、利用SiO₂封装保护进一步解决了高温煅烧过程团簇的团聚，使其能够很好地分散使用；三、利用尺寸效应对相变的影响使催化剂经煅烧处理后依旧保留较强的磁学性能，Fe₃O₄纳米颗粒转化成γ-Fe₂O₃纳米颗粒后由封装导致的尺寸效应会有效抑制其转变成α-Fe₂O₃，从而停留在具有顺磁性的γ-Fe₂O₃相。最终获得的催化材料具备小尺寸的Au纳米颗粒、更多的Au-γ-Fe₂O₃界面、介孔结构、催化剂表面“干净”、磁性可回收等诸多优秀特性，在硝基氢化和CO催化氧化等催化反应中都展现出较高的催化活性(氢化活性为未去除配体催化剂的22倍)、可循环性和稳定性。

该制备方法的特色在于高温煅烧处理既能除去催化剂表面的有机物使之“干净”，又能保持催化剂磁性，Au纳米颗粒尺寸和介孔结构保持不变。该方法为进一步设计和制备其他贵金属磁性催化剂提供了一条可行的途径。这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上。

该论文作者为： Lu Shang, Yunhui Liang, Mengzhu Li, Geoffrey I. N. Waterhouse, Pei Tang, Ding Ma, Li-Zhu Wu, Chen-Ho Tung, and Tierui Zhang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

“Naked” Magnetically Recyclable Mesoporous Au–γ-Fe₂O₃  Nanocrystal Clusters: A Highly Integrated Catalyst System

Adv. Funct. Mater., 2017, 1606215, DOI: 10.1002/adfm.201606215

X-MOL催化领域学术讨论QQ群（210645329）

推荐阅读

本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！

长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！

点击“阅读原文”，参加讨论