金属纳米催化剂的表面结构调控和制备方法
纳米材料具有小尺寸效应、 表面效应、 量子隧穿效应等特殊的物 理化学性能。 金属纳米材料因其优异的性能而成为重要的催化剂。 常 用的金属催化剂一般为铂族金属、 币族金属、 铁系金属等， 它们广泛 应用于能源转换、 石油化工、 汽车尾气净化和化学工业等领域。 如何 提高金属纳米催化剂的活性、 选择性、 稳定性和利用效率， 一直是上 述领域的重大关键问题。 以铂金属催化剂为例， 运用铂单晶面为模型 催化剂的研究指出， 催化剂的性能取决于其表面结构， 呈开放结构且 具有高表面能的高指数晶面的催化活性和稳定性显著优于原子紧密排 列的低指数晶面 。对其他金属催化剂的基础研 究也给出类似的结论， 即表面结构是金属催化剂性能的决定性关键因 素， 具有开放表面结构的催化剂具有更高的活性和稳定性。 而且， 不 同的表面结构往往对特定的反应具有特殊的催化性能， 即体现出表面 结构的催化选择性。 目前， 商品化的金属纳米催化剂都是几个纳米尺 寸大小的粒子或纳米晶体， 其表面通常为原子紧密排列的晶面结构。 由于纳米晶体的表面结构由纳米晶体的形状所决定， 因此通过改变所 制备的纳米晶体的形状即可改变其表面结构， 进而实现在原子排列结 构层次调控金属纳米催化剂的活性和选择性。
本文的第一目的在于针对实际应用领域对进一步提高金属纳米 催化剂的活性、 选择性和稳定性的需求， 提供一种金属纳米催化剂的 表面结构调控和制备系统。第二目的在于提供具有开放表面结构的金属纳米催化 剂。第三目的在于提供具有开放表面结构的金属纳米催化剂 的表面结构调控和制备方法。所述金属纳米催化剂的表面结构调控和制备系统。是一种 具有开放表面结构的金属纳米催化剂的表面结构调控和制备系统。所述金属纳米催化剂的表面结构调控和制备系统设有成核电解 池、 配分阀、 至少 2 个生长电解池， 配分阀一端接成核电解池的输出 端， 配分阀另一端接所有生长电解池的输入端。 所述成核电解池设有成核电解池池体和 1对成核电极， 成核电解 池池体设有反应液进口和成核反应液出口， 反应液进口外接前驱体反 应液输入装置， 成核反应液出口接配分阀的输入端； 1对成核电极置于 成核电解池池体内， 所述 1 对成核电极上施加成核程序电位。实际使 用时， 所述 1 对成核电极外接到恒电位仪等设备，并可施加以成核程 序电位。所述至少 2个生长电解池的每 1个生长电解池均设有生长电解池 池体和1对生长电极，生长电解池池体设有成核反应液进口和产物出口。成核反应液进口通过配分阀与成核电解池出口相连接；1对生长电 极置于生长电解池池体内；所述 1 对生长电极上施加生长程序电位。 实际使用时，所述1对生长电极外接到恒电位仪等设备，并可施加以生长程序电位。所述成核电解池池体与生长电解池池体的结构可相同； 所述成核 电解池池体与生长电解池池体的结构包括几何形状、电极材料和尺寸、放置方式等。所述成核电极可采用平板电极， 所述平板电极的长宽比可为 1〜 2： 1， 平板电极的长度可为 l〜10cm，平板电极之间的间距可为 20〜 2000 m; 所述平板电极， 最好平行嵌入成核电解池池体内， 以便前驱 体反应液流经两个平板电极之间， 同时发生相关反应。
制备方法为：1 )将前驱体反应液注入成核电解池， 同时将成核程序电位施加到 成核电解池的 1 对电极上， 在成核程序电位的作用下金属前驱体发生 成核反应， 得到已形成金属晶核的成核反应液；2)将含有金属晶核的成核反应液经过配分阀输送到任意 1个生长 电解池， 同时将生长程序电位施加到该生长电解池中的 1 对电极上， 在生长程序电位的作用下， 成核反应液中的金属晶核逐渐成长， 同时 金属晶体的形状和表面结构得到调控， 生成具有开放表面结构的金属 纳米尺度晶体；3 ) 控制施加在步骤 2) 所述任意 1个生长电解池中的 1对电极上 的生长程序电位作用的生长时间， 得到所需尺寸的具有开放表面结构 的金属纳米催化剂的反应液；4) 将步骤 3 ) 得到的已生长出所需尺寸的具有开放表面结构的金 属纳米催化剂的反应液输出， 离心分离， 收集产物， 制得。