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葛学武汪谟贞团队在辐射法制备纳米金属催化剂取得新进展
发布人: 发布时间:2021-03-09 浏览次数:10

在过去的几十年中,二维纳米材料(TDM)以其低密度,高表面积及独特的光学和电学性质等特性而受到广泛关注。研究人员发现TDM有望成为纳米金属及氧化物的负载平台并显著提高其在电化学能转化和污染物处理等方面的催化性能。石墨烯和氮化硼纳米片(BNNS)是近年来TMD的热门代表。通常,TDM负载纳米催化剂的制备分两步进行:先制备二维纳米片,再在其上负载预先或原位合成的纳米催化剂。与从石墨剥离制备石墨烯相比,从六方氮化硼(h-BN)剥离制备BNNS是非常困难的,因为h-BN晶体层间的“lip-lip”相互作用除范德华力外,还包括静电或极性相互作用。因此,开发简单、高效的h-BN剥离方法是推动BNNS的广泛应用的关键。

受金属离子还原生成金属纳米粒子过程中发生的巨大体积膨胀效应的启发,我系葛学武、汪谟贞课题组提出了一种辐射诱导还原-剥离(radiation-induced reduction-exfoliationRIRE)制备氮化硼纳米片的新方法。该方法是将h-BN粉末分散在含有Ni2+离子的异丙醇水溶液中,在超声作用下使Ni2+离子扩散至h-BN晶体层间。再往体系中加入适当的稳定剂(如阳离子型或非离子型表面活性剂)后,通氮除氧,放入伽马射线辐射场中,利用水辐解中产生的eaq-引发插层Ni2+离子还原,并聚集生成镍纳米粒子(NiNP)。随着NiNP的逐渐长大,h-BN晶体层间距增大,层间相互作用被破坏,在稳定剂的帮助下,最终实现了在常温常压下,一步将负载着20 nm左右NiNP,厚度为5 nm以下、200 nm见方的BNNSh-BN上剥离脱落,稳定的分散在介质中,制备出新型磁性二维高效催化剂Ni/BNNS


辐射诱导还原-剥离(RIRE)法制备Ni/BNNS的原理示意图;Ni/BNNS的透射电子显微镜图片、X射线衍射谱图、原子力显微镜图片及其厚度分布图;Ni/BNNS在还原邻硝基苯胺和光解水产氢体系中的催化及循环使用性能

本工作系统地考察了不同金属离子在h-BN晶体中的插层行为以及吸收剂量、Ni2+离子浓度、分散介质组成、稳定剂类型和浓度等因素对剥离产物形貌的影响,其结果证实了RIRE的机制是由h-BN晶体层间插层金属离子的还原并聚集生长和稳定剂的协同剥离稳定效应共同作用的结果。用此新方法制备的Ni/BNNS,与辐射法制备的自由镍纳米粒子相比,在催化硼氢化钠还原邻硝基苯胺的反应中表现出更优异的催化性能。并且Ni/BNNS具有良好的结构稳定性和磁分离性,因此还具备出色的回收循环利用性能,循环5个催化反应周期,催化性能几乎保持不变,且回收的Ni/BNNS没有出现明显的团聚现象。更值得注意的是,Ni/BNNS的甲醇/水分散液在模拟阳光照射下可以监测到氢气的生成,2 h 内氢气的释放量为8404.3 μmol·gNi-1,这与传统的半导体与助催化剂结合的可见光催化产氢催化剂体系不同,因为还没有报道证实NiNPBNNS存在适合可见光吸收的能带间隙。

这项工作不仅为高效剥离制备BNNS提供了新思路,还为一步法制备新型TDM负载的纳米金属催化剂开辟了新途径,也为可见光催化剂的催化机制提出了新思考。这一研究成果发表于Journal of Materials Chemistry A (2020, 8 9109.) 杂志上,论文第一作者为中国科学技术大学博士研究生姜志文,通讯作者为中国科学技术大学葛学武教授和汪谟贞副教授,该工作得到挑战计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1039/d0ta03701j