Chem. Rev.:载体在含金纳米颗粒多相催化剂中的作用

雨辰

2020-03-30

非均相催化，其中反应物与催化剂（通常为固体）处于不同的相（通常为气体或液体），在现代化学品和燃料生产中起着核心作用。据报道，2016年整个催化剂市场规模约为230亿美元，预计到2022年将达到400亿美元，年增长率为4.8％。自1980年代，金和含金纳米颗粒已成为非均相和均相催化反应中一种重要的催化剂。负载型金属催化剂是工业中广泛用于许多反应的一类重要催化剂，包括氧化， （脱氢），加氢，加氢处理，脱硝反应，氨合成和费托合成。在这些催化剂中，金属组分通常很昂贵，并且使用量很少（通常<5％）。与较大的金属颗粒相比，较小的金属颗粒往往具有更多的活性位点。因此，金属粒度是决定负载型金属催化剂催化活性的关键结构参数。普通催化剂包含非常小的金属颗粒（通常在nm范围内），分散在高表面积的载体上，分散在固体载体材料上的小金属纳米颗粒（NP）被用作催化剂。在载体金属催化剂领域，载体材料通常被认为是惰性的，其主要作用是通过锚定来增强小金属颗粒的稳定性。然而实际上，载体在催化剂中的作用相当复杂，在许多情况下仍不清楚。在催化反应过程中，载体可以直接或间接发挥不同的作用。

有鉴于此，英国卡迪夫大学Graham J. Hutchings教授和Meenakshisundaram Sankar等人，讨论了最近文献中有关载体在指导基于金属的单金属和双金属纳米颗粒的纳米结构中的作用，分析了用于不同气相和液相反应的金基单金属和双金属纳米粒子的催化性能与载体的作用。显然，载体在调节催化活性中发挥关键作用。

本文要点

1）首先讨论了载体在影响金基纳米颗粒结构性能中的作用。然后回顾了在特定反应中，包括CO氧化、液相醇氧化、加氢/氢解和C-C耦合反应中，载体对Au基NPs催化性能的作用。之后简要讨论了无载体金基胶体的催化性能。最后总结了这篇综述，并展望了这一领域的催化剂研究的未来发展方向。

2）对于负载的金和含金的NP，载体通常对于确保所需的催化功能至关重要。在某些没有载体的情况下可以观察到催化作用的改善，但是目前这种例子很少。但是，无载体胶体的研究将为载体催化剂的性能提供新的机遇，未来的发展方向可能是设计具有特定功能的载体。一种方法是设计载体的表面，使它们包含可以固定金纳米颗粒的特定部位。随着在过去十年中材料表征方法的重大进步，再加上先进的理论研究，为详细地探讨载体与纳米颗粒之间的相互作用提供了新的机遇。原位表征方法的使用将是最有用的。

3）金催化剂需要解决的主要问题是需要确保构成催化剂活性位点的金纳米颗粒，簇或阳离子，其中每个结构都是活性中心，不会团聚，因为这不可避免地导致失活。因此关注载体的设计以使其固有地稳定金活性中心是非常有前景的方向。

总之，该工作有助于选择和设计新颖的载体结构，明确载体和催化活性中心的作用，促进高活性、高稳定性催化剂的设计和开发。

参考文献：

Meenakshisundaram Sankar et al. Role of the Support in Gold-Containing Nanoparticles as Heterogeneous Catalysts. Chem. Rev., 2020.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00662

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00662