东南大学代云茜课题组：抑制表面引发晶粒生长的超热稳定Al2O3/TiO2纳米纤维作为抗烧结Pt纳米粒子的新载体-易丝帮

东南大学代云茜课题组：抑制表面引发晶粒生长的超热稳定Al2O3/TiO2纳米纤维作为抗烧结Pt纳米粒子的新载体

2020/6/24 16:51:00 易丝帮

电纺陶瓷纳米纤维可作为催化剂的理想载体，但在制备过程中往往会受到晶粒快速生长的限制，从而失去其优越的性能。

东南大学代云茜教授课题组报告了一种由静电纺丝法便捷制备TiO2和Al2O3混合物组成的热稳定陶瓷纳米纤维。在900℃高温煅烧后，Al2O3/TiO2纳米纤维平均晶粒尺寸仅为22.2 nm，锐钛矿的含量高达47.1wt％。从微观结构看，无定形Al2O3位于TiO2纳米晶粒的晶界处，这显著阻碍了相邻TiO2纳米晶粒之间的聚结。更有趣的是，Al2O3自发地迁移到纤维表面，从而自然形成了纤维表面的异质颗粒结构。当用作载体时，Al2O3/TiO2纳米纤维通过利用保存良好的晶界和锐钛矿相，提高了对Pt纳米颗粒的粘附能。

此外，双氧化物结构建立了Pt纳米颗粒烧结团聚的动力学瓶颈，可防止Pt纳米颗粒在载体表面的热致迁移，进而彼此附着或融合。因此，当3 nm-Pt纳米颗粒在载体表面的相邻距离仅为4.56 nm时，仍能在高达500 ℃的烧结温度下保持稳定。该抗烧结催化剂在高温下对液相加氢和气相氧化反应均显示出高活性。这种高效且热稳定的催化剂可进一步用于催化碳烟氧化，在尾气排放控制中具有广阔的应用前景。

相关成果以题为“Exceptionally thermal-stable Al2O3/TiO2 nanofibers by depressing surface-initiated grain growth as new supports for anti-sintering Pt nanoparticles”发表在Materials Today Nano期刊上。

图1.（A-B）纳米纤维的扫描电子显微镜（SEM）图像，该纳米纤维为5wt％Al2O3和95wt％TiO2（AT-5）的混合物在900℃的空气中煅烧2小时制成，呈现出表面异质结结构。由AT-5纳米纤维获得的（C）全扫描、（D）O 1s、（E）Ti 2p和（F）Al 2p高分辨率X射线光电子能谱（XPS）图。

图2.（A）700 ℃下煅烧的原始TiO2纳米纤维与Al2O3和TiO2的混合纳米纤维透射电子显微镜（TEM）图像，其中后者的Al2O3重量比分别为（B）5wt％（AT-5）、（C）15wt％（AT-15）和（D）30wt％（AT-30）。在高达900℃的高温煅烧后，在（E）原始TiO2纳米纤维中观察到大晶粒组成的竹节结构，而（F）AT-5、（G）AT-15和（H）AT-30纤维呈现出更小的晶粒尺寸。

图3.（A）900 ℃下煅烧的原始TiO2、AT-5、AT-15和AT-30纳米纤维的X射线衍射（XRD）图，以及（B）根据Scherrer公式计算得出的平均晶粒尺寸，以及相应的锐钛矿质量分数与Al2O3/TiO2纳米纤维中Al2O3含量的关系。

图4.（A）原始TiO2、（B）AT-5、（C）AT-15和（D）AT-30纳米纤维表面精细结构的TEM图像。红色虚线表示纤维表面相邻TiO2晶粒的二面角。

图5. 负载在（A）TiO2、（B）AT-5、（C）AT-15和（D）AT-30纳米纤维表面的约3 nm-Pt纳米颗粒的TEM图像，以及（E）Pt纳米粒子在系列载体表面的最邻近距离与Al2O3含量的关系。黑色箭头表示Al2O3纳米颗粒。

图6.负载在（A）原始TiO2、（B）AT-5、（C）AT-15和（D）AT-30纳米纤维上的Pt纳米粒子分别在空气中煅烧至500℃后的TEM图像。（E）在空气中于500℃热处理后，不同载体上负载的Pt纳米颗粒的相应尺寸演变，通过ΔR（％）进行定量估算。

图7.（A）35分钟内，在AT-15纳米纤维上负载的Pt纳米粒子（Pt@AT-15）的催化下，对硝基苯酚向对氨基苯酚的转化。（B）煅烧前与煅烧至500和600℃后，Pt@AT-15催化还原过程中对硝基苯酚的标准化浓度变化。（C）系列负载型催化剂归一化至Pt浓度的反应速率常数（Kc）和热处理温度的关系图。（D）在500℃焙烧后，负载的Pt纳米颗粒的催化活性与相应的尺寸演变随载体中Al2O3含量的变化。

图8.（A）纯Printex-U，以及AT-15纳米纤维或Pt@AT-15催化材料与20wt％Printex-U的混合物在松散接触模式下的TG和DTG曲线。（B）炭黑转化曲线。（C）Pt@AT-15催化炭黑氧化后的TEM图像以及相应的Pt纳米颗粒直径分布。

DOI:10.1016/j.mtnano.2020.100088

作者简介

代云茜，四川隆昌人，东南大学化学化工学院教授（破格晋升），博士生、硕士生、本科生导师。入选江苏省“六大高峰”高层次人才、江苏省科协青年托举工程、荣获江苏省优秀博士学位论文（导师孙岳明教授），入选东南大学优秀青年教师资助（A类）计划。

2002年考入东南大学化工系，2006年保送至东南大学化学化工学院硕博连读，2008–2010年在美国圣路易斯华盛顿大学Younan Xia教授课题组联合培养。多次在Chem. Soc. Rev.、Chem. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、J. Mater. Chem. A、ChemSusChem、ACS Appl. Mater. Interfaces等化学、材料类国际著名学术期刊发表论文，入选ESI高被引论文，被包括Nat. Nanotechnol.、Nat. Chem.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.等期刊引用千余次。担任Nat. Comm.、Nano Lett.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces等30余种著名学术期刊审稿人。

主持国家自然科学基金2项、江苏省自然科学基金面上项目1项，参与国家、省部级项目6项。曾受邀在美国西北太平洋国家实验室、美国麻省理工学院、中科院过程所等高校院所讲学，多次在国内外学术会议做邀请/口头报告。致力于新能源、催化、环境领域中低维纳米材料的构效关系及其表、界面效应的研究。