负载纳米Au催化剂、制备方法及应用
工业废气[如挥发性有机物(VOCs)等]污染大气环境，危害人身健康。催化燃烧法是目前最常用的去除VOCs的技术之一,借助催化作用,VOCs可在较低温度(〈500°C )下氧化，其去除率通常高于95%。催化剂的选择是关键。目前应用于VOCs催化燃烧的催化剂包括负载贵金属、单一过渡金属氧化物和复合金属氧化物。在已研究过的催化剂中，负载贵金属催化剂对CO和VOCs氧化反应的催化活性最好，其中Au纳米催化剂对CO和VOCs氧化显示优良的催化活性。将Au负载于高比表面积的过渡金属氧化物(MOy)载体上，还可进一步改善其对 CO 和 VOCs 氧化的催化性能。三维有序大孔(3D0M)结构催化剂因具有较高的比表面积、较大的孔容和发达的孔结构而使其在许多领域有着很大的应用前景。大孔结构有利于降低传质阻力和促使客体分子到达活性位，从而有利于反应物分子的吸附与扩散。在过去的10年里，国内外学者对3D0M材料的制备进行了广泛的探讨。人们利用新近建立起来的以胶体晶[如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)等)]微米球为硬模板的胶晶合成技术可获得孔径在数十至数百纳米的3D0M材料。Co3O4是具有良好活性的催化材料，若将之制成3D0M Co3O4,则可大大提高其比表面积、改善表面和体相性质及有利于反应物分子的扩散和活化吸附，从而显著地提高其催化活性；若再将适量的Au纳米粒子担载到3D0M Co3O4载体上,则可进一步改善催化性能。3D0M Co3O4中的Co离子含有多种氧化态，具有较强的氧化-还原(Redox)能力，Co3O4和Au之间可能存在强相互作用及协同作用，有利于促进催化剂的Redox过程，从而有利于催化活性的提高。迄今为止，尚无文献和专利报道过使用胶晶模板法结合聚乙烯醇保护的鼓泡还原法制备具有3D0M结构的过渡金属氧化物负载贵金属催化剂Au/3D0M Co304。因此，研发制备具有3D0M结构的Co3O4负载贵金属纳米Au催化材料具有重要意义。
本文的目的在于提供3D0M Co3O4的PMMA胶晶模板法和Au/3D0M Co3O4的聚乙烯醇保护的鼓泡还原法。三维有序大孔Co3O4负载纳米Au催化剂，即Au/3D0M Co3O4催化剂，其特征在于，具有3D0M结构的Co3O4的孔壁上负载有立方相Au纳米颗粒。3D0M Co3O4和Au/3D0M Co3O4的制备方法，其特征在于，采用聚乙二醇400辅助的PMMA胶晶模板法和聚乙烯醇保护的鼓泡还原法分别制备3D0M Co3O4和Au/3D0M Co3O4,具体包括以下步骤:
(I)制备3D0M Co3O4:取六水硝酸钴加入到无水甲醇中搅拌lOmin，得到前驱液，向混合均匀前驱液中加入聚乙二醇400，其中六水硝酸钴:无水甲醇:聚乙二醇400为2Ommo1:9ml:1ml,室温搅拌30min后，再加入PMMA硬模板,于室温浸溃3h,过滤、室温干燥24h，经过焙烧后即得到3D0M Co3O4载体，焙烧步骤和条件为:(a)在N2气氛下以l°C/min速度由室温升温至300°C，并保持3h，随后自然降至室温；(b)在空气气氛下以1°C /min速度由室温升温至300°C，保持2h，随后以1°C /min速度升至450°C，保持3h后自然降至室温；
(2)制备Au/3D0M Co3O4:冰水浴避光环境:将氯金酸水溶液加入到PVA的水溶液中，Au/PVA质量比=1.5:1，均匀搅拌lOmin，随后迅速加入NaBH4水溶液Au/NaBH4摩尔比=1:5,搅拌30min后，即制得Au纳米胶；
采用PVA保护的鼓泡还原法和浸溃法制备xAu/3D0M Co3O4催化剂:按照Au/3D0MCo3O4催化剂中预计的Au负载量，向Au纳米胶中加入步骤(I冲制备的3D0M Co3O4载体,在气体鼓泡辅助下进行吸附，待胶液澄清(即吸附完全)后，过滤、洗涤并于110°C下干燥12h，即制得Au/3D0M Co3O4催化剂。
本方案具有原料廉价易得，制备过程简单，所得产物形貌、粒径和孔径可控等特征；制备的Au/3D0M Co3O4(x=1-8%)具有3D0M结构的特点和优异的催化活性，在CO和VOCs催化氧化领域具有良好的应用前景。