雙金屬納米材料與催化分析

姚歡歡

摘 要：雙金屬納米材料由于其更加良好的催化性質(zhì)以及相對較低的價格，成為了近些年來人們研究與關(guān)注的重點。基于此，本文分析了不同的雙金屬材料的催化性質(zhì)，探究了影響雙金屬材料催化性質(zhì)的因素。

關(guān)鍵詞：雙金屬納米材料；催化性質(zhì)；影響因素

引言：貴金屬是一種十分重要的催化劑材料，在工業(yè)生產(chǎn)中被大量的使用。因其儲能有限、價格相對高昂，所以將貴金屬更加高效的進行利用成為了相關(guān)研究人員關(guān)注的重點問題。目前，較為常用的一種方式就是利用貴金屬與非貴金屬合成金屬件化合物或者是合金進行催化，以降低對貴金屬的消耗。雙金屬納米材料在代替貴金屬進行催化反應(yīng)的效果較好，受到了相關(guān)人員的關(guān)注。本文分析了不同的雙金屬納米材料的催化反應(yīng)及影響因素，為相關(guān)人員的工作進行提供參考。

一、雙金屬納米材料的催化性質(zhì)分析

（一）Pt基雙金屬納米材料

Pt基雙金屬納米材料在化工領(lǐng)域以及化學科學中被廣泛的應(yīng)用，是一種十分重要的金屬催化劑材料。在制備Pt基雙金屬納米材料時，首先要準備Pt晶種，并在適當?shù)臈l件下加入Ni源。其次要控制還原合成條件，讓被還原的Ni原子簇或院子能夠在Pt晶種的表面進行擴散，形成穩(wěn)定的Pt基雙金屬納米材料。

這種雙金屬Pt-Ni納米束在甲醇的電催化反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的性能，相比于單一的Pt納米束或納米顆粒來說，雙金屬Pt-Ni納米束的電催化活性更好。筆者研究發(fā)現(xiàn)，Pt納米束、Pt納米顆粒、雙金屬Pt-Ni納米束的電化學活化面積分別為0.39mA/cm2、0.26mA/cm2、0.93mA/cm2。在穩(wěn)定性上，雙金屬Pt-Ni納米束優(yōu)于Pt納米束以及Pt納米顆粒。這就意味著在實際的催化反應(yīng)中，Pt基雙金屬納米材料不僅能夠提供更有活性的催化反應(yīng)，還能更好的保證催化反應(yīng)的穩(wěn)定性。

目前，Pt基雙金屬納米材料不只有雙金屬Pt-Ni納米束一種，還有Pt基雙金屬PtCo和PtFe納米線材料、PtM（M為Ni、Au、Pd）合金納米晶、Cupt和CoPt雙金屬納米顆粒以及不同晶面的Pt-Ni雙金屬納米晶催化劑等等。這些Pt基雙金屬納米材料都有著良好的催化反應(yīng)活性，在實際的工業(yè)生產(chǎn)中有著較好的應(yīng)用前景。

（二）Pd基雙金屬納米材料

Pd基雙金屬納米材料有著較好的催化活性、催化反應(yīng)的條件也較為溫和，目前被普遍應(yīng)用于醫(yī)藥生產(chǎn)領(lǐng)域、天然產(chǎn)物合成領(lǐng)域以及石油化工領(lǐng)域等等。我國對于Pt基雙金屬納米材料的制備在2012年得到了發(fā)展。相關(guān)研究學者利用犧牲模板法在較為溫和的條件下，制備出了Pt基的合金一維納米線，研制出了PdPt雙金屬納米線。

這種Pd基雙金屬納米材料在催化活性上有著一定的優(yōu)勢。筆者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，相比于單一成分的貴金屬催化劑，Pd基雙金屬納米材料作為催化劑有著更好的電催化活性，電極的靈敏度也較高，可以達到533μA/（mmol/L cm2）。

使用雙擴散法同樣能夠制備出Pt基的合金一維納米線。筆者在研究中發(fā)現(xiàn)，Pd4Pt和Pd9Au雙金屬納米線的氧化活性比在工業(yè)生產(chǎn)中使用的傳統(tǒng)的Pt基催化劑要好，能夠達到0.79mA/cm2和0.49mA/cm2。另外，目前研究出的Pd基雙金屬納米材料還有Co10Pd40-Co40Pd40的雙金屬納米顆粒、Au-Pd雙金屬納米顆粒等，在催化活性上有著較高的優(yōu)勢。

（三）Au基雙金屬納米材料

Au基雙金屬納米材料的研究與制備一直是相關(guān)人員研究的重點，是一種十分重要的雙金屬納米材料，其催化活性也被廣泛關(guān)注。Au-Pt催化劑就是一種Au基雙金屬納米材料，有著較高的催化速度。Au-Pt催化劑的催化作用主要是利用Pt的引入，使得Au表面上H2的解離速度更快。筆者在研究中發(fā)現(xiàn)，在Au-Pt催化劑中，Pt的含量越高，這種Au基雙金屬納米材料的催化活性越好。

在TiO2基底上負載Au-Ag雙金屬納米顆粒也是一種Au基雙金屬納米材料，其尺寸約為1.5nm[1]。這種Au基雙金屬納米材料能夠更加顯著的提升催化反應(yīng)的速度。筆者研究發(fā)線，在制備雙氧水的實驗中，Au基雙金屬納米材料的應(yīng)用能夠使得反應(yīng)更加高效。Au能夠使得O2在光催化的條件下積極的形成H2O2，同時，這種合金結(jié)構(gòu)還能有效的抑制H2O2在Au表面的分解。

二、雙金屬納米材料催化的影響因素

（一）雙金屬納米材料的成分

雙金屬納米材料的成分不同能夠影響催化反應(yīng)的表現(xiàn)。由上文中的分析能夠發(fā)現(xiàn)，調(diào)控雙金屬納米材料中各個成分的含量能夠得到不同催化速度與性質(zhì)的催化劑。以Au基雙金屬納米材料為例，AuPd合金納米顆粒在實際的催化反應(yīng)中，比單一的金屬納米材料的催化活性更好、催化的速度以及穩(wěn)定性也有所提升。Au基雙金屬納米材料不僅能夠提升催化反應(yīng)的效率，還能有效抑制生成產(chǎn)物的分解，使得產(chǎn)物的產(chǎn)量更大。

調(diào)整Pt-Ni納米束中的成分比例，能夠制備出PtNi3和PtNi5等合金納米顆粒[2]。結(jié)合實際的電催化反應(yīng)能夠得出，PtNi3有著更好的氧化還原能力，證明了不同組成的雙金屬納米材料的催化性質(zhì)不同。

（二）雙金屬納米材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

雙金屬納米材料中有著不同的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，例如，空心多孔結(jié)構(gòu)、一維結(jié)構(gòu)、殼核結(jié)構(gòu)等等。有研究顯示，不同結(jié)構(gòu)的雙金屬納米材料有著不同的催化性能。這就意味著相關(guān)研究人員或工作人員要結(jié)合實際的需求，對雙金屬納米材料的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。以Au基雙金屬納米材料為例，利用離子交換的方式能夠制備出Au@Ag雙金屬殼結(jié)構(gòu)的納米材料，相比于單一結(jié)構(gòu)的Au納米顆粒、Ag納米顆粒或Au-Ag合金納米顆粒，這種納米材料有著較好的結(jié)晶性，催化活性也更強。

另外，雙金屬納米材料的尺寸大小也會影響催化性質(zhì)。例如，對于Pd@Au納米晶而言，其殼層的厚度越大，催化活性就越高，并在2.2nm時達到最優(yōu)。

總結(jié)：綜上所述，雙金屬納米材料在催化反應(yīng)中有著更優(yōu)的性質(zhì)，對其的研究已經(jīng)取得了一定的進展。目前，在Pt基雙金屬納米材料、Pd基雙金屬納米材料以及Au基雙金屬納米材料的研究與制備中，取得的了較好的成績，也得到了較為廣泛的使用。研究發(fā)現(xiàn)，雙金屬納米材料的成分、結(jié)構(gòu)、尺寸都會影響催化反應(yīng)的性質(zhì)，相關(guān)人員需要探究其最優(yōu)的形式，保證催化反應(yīng)的快速和穩(wěn)定。

參考文獻：

[1]周明. 金屬納米材料的可控設(shè)計、合成及催化性能研究[D].重慶大學，2017.

[2]祁琨. 金屬納米材料的表界面調(diào)控及電催化應(yīng)用研究[D].吉林大學，2017.