纳米钯的合成及催化性能

论文总字数：6516字

摘 要

在室温下，采用铝和PdCl₂溶液的简单置换过程首次制备出新型的海胆状纳米钯。利用XRD、TEM、EDS、BET和DSC/TG等测试仪器对样品的相结构、形貌、组分、比表面积和催化性能进行了详细的表征。结果表明：大量的一维钯纳米棒以铝粉为模板，从纳米结构的中心向四周辐射出来，从而形成一个直径为0.5-1.0μm的海胆状结构，所制备的海胆状纳米钯降低了高氯酸铵（AP）的热分解温度，对其分解具有显著的催化性能。

关键词：钯纳米结构，海胆状，高氯酸铵，催化性能

Abstract: Novel urchin-like Pd nanostructures were firstly synthesized using a simple replacement reaction between Al and PdCl₂ aqueous solution at room temperature without the assistance of any surfactant or ligand.Their phase structure, morphology, specific surface area, and catalytic property were characterized by XRD, TEM, EDS, BET and DSC/TG.The results show numerous one-dimensional Pd nanorods radiate from the center of the aluminum templates to form an urchin-like shape with a diameter of ~0.5–1.0 μm.The as-prepared urchin-like Pd nanostructures can serve as a promising additive to accelerate the thermal decomposition of ammonium perchlorate (AP), a key oxidizer in composite solid propellants.

Keywords: Pd nanostructure, Urchin-like, Ammonium perchlorate, Catalytic property

目 录

1 前言 4

2 实验步骤 5

3 结果与讨论 6

3.1 XRD分析 6

3.2 XPS分析 6

3.3 TEM图片 6

3.4 反应机理分析 9

3.5 催化性能分析 10

结论 11

参考文献 12

致谢 13

1前言

金属纳米材料的制备方法有很多，主要包括：

（1）气体蒸发法^[1]

在容器中导入低压的氩或氦等惰性气体，利用发热体加热使金属熔化、蒸发，蒸发的

金属原子和气体分子碰撞，使金属原子凝聚而形成纳米颗粒。通过对蒸发温度、气体种类

和颗粒大小的控制，得到粒径为10 nm左右的颗粒。蒸发源可用感应加热，电阻加热，对高熔点物质可用激光、等离子体、电弧和电子束加热。

（2）真空冷凝法^[2]

用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点

是纯度高、结晶组织好、粒度可控，但对设备的技术要求较高。

（3）物理粉碎法^[3]

采用机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其优点是操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

（4）机械球磨法^[4]

机械球磨法制备纳米材料是一个无外部热能供给的球磨过程，也是一个由大晶粒变为小晶粒的过程。用这种方法除可制备单质金属纳米材料外，还可以通过颗粒间的固相反应直接合成化合物。在纳米结构形成机理的研究中，认为球磨过程是一个颗粒循环剪切球变形的过程，在这一过程中，晶格缺陷不断在大晶粒的颗粒内部产生，从而导致颗粒晶界的重新组合。

（5）溅射法^[5]

此方法的原理是在惰性气氛或活性气氛下，在阳极板和阴极蒸发材料间加上几百伏直流电压，使之放电，放电中的离子撞击在阴极的蒸发材料靶上，靶材的原子就会由表面蒸发出来，蒸发原子被惰性气体冷却凝结或与活性气体反应而形成超细粉。该方法可以制备高熔点金属超细粉，也可制备化合物超细粉，若将蒸发材料靶做成几种元素(金属或化合物)的组合，还可制备复合材料的超细粉。此方法最大优点是粒径分布很窄，粒度整齐。

（6）气相反应法^[6]

气相反应法是采用金属蒸气或化合物气相的化学反应生成各种纳米粉末的方法，其特点是：(1)原料具有挥发性，提纯较容易，生成物纯度高，不需要粉碎；(2)气相中物质浓度低，生成的粉末较少；(3)控制生成条件，容易制得粒径分布窄，粒径小的微粒；(4)气氛容易控制，除氧化物外，用液相法可直接合成惰性金属，氮化物、碳化物、硼化物亦可合成。

（7）沉淀法^[7]

沉淀法是在原料溶液中添加适当的沉淀剂，使得原料溶液中的阳离子形成各种形式

的沉淀物，然后再经过滤、洗涤、干燥、加热分解等工艺制得纳米粉。

（8）水热反应法

水热反应法是指在高温高压的水溶液中进行的一系列物理化学反应。在高温高压的水溶液中，许多化合物表现出与常温下不同的性质：溶解度增大，离子活度增加，化合物晶体结构易转型等。水热反应正是利用了化合物在高温高压水溶液中的特殊性质，制备纳米

粉末。该方法制得的产品纯度高，分散性好，晶型好，尺寸大小可控。

（9）溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法制备纳米粉末的基本原理是：将醇盐或金属的无机盐水解，然后将溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥，焙烧，最后得到纳米粉末。此法制得的产品纯度高，颗粒均匀且细，过程易控制。凝胶颗粒自身的烧结温度低，但凝胶颗粒之间的烧结性差，块状材料烧结性不好，干燥时收缩性大。

钯（Pd）作为一种贵金属备受关注。在过去的几年里，已经可以通过不同的化学过程制备出具有不同形状和大小的纳米钯。然而，大多的合成过程都依赖于有机改性剂，如表面活性剂和配体，可是，有机改性剂多数是有毒的，且价格较昂贵，这会增加环境和经济负担。在商业应用之前，改进钯材料的制备方法、降低成本和采用环境友好型技术是一项巨大的挑战。

钯材料具有一系列不同寻常的性质以及良好的催化活性。据报道，纳米钯是C - C偶联反应如Heck，Sonogashira，Suzuki，Stille和 Ullmann反应的重要催化剂。此外，纳米钯在氢传感和表面增强拉曼散射（SERS）领域内有广泛的应用。纳米Pd在军事和能源领域内有很大的发展空间。

在此，我们提出了一个简单的方法来合成新型的海胆状的纳米钯，即在常温常压下，在不使用表面活性剂或配体的情况下，通过Al和PdCl₂溶液的简单置换反应制得纳米钯，所得海胆状的纳米钯是高氯酸铵（AP）的热分解良好的催化剂。

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