贵金属纳米粒子的制备进展
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林业工程学报,2024,9(1):109-116JournalofForestryEngineeringDOI:10.13360/j.issn.2096-1359.202305024收稿日期:2023-05-30㊀㊀㊀㊀修回日期:2023-09-25基金项目:国家重点研发计划(2022YFC2105503);广西自然科学基金(2018JJA130224);广西博世科环保股份有限公司国家企业技术中心开放项目㊂作者简介:李茉琰,女,研究方向为木质素基复合功能材料㊂通信作者:闵斗勇,男,教授㊂E⁃mail:mindouyong@gxu.edu.cn木质素还原制备金纳米颗粒及其催化性能李茉琰,龙杏,张清桐,梁展明,闵斗勇∗(广西大学轻工与食品工程学院,广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室,南宁530004)摘㊀要:自然界中的木质素来源广泛,其含量仅次于纤维素,是一种具有还原性的可再生芳香聚合物㊂本研究利用木质素在太阳光激发下还原Au(Ⅲ)制备金纳米颗粒(AuNPs),并将其用于催化还原废水中的有机污染物㊂主要探究了不同木质素质量浓度㊁HAuCl4浓度㊁光照时间等条件对AuNPs粒径及形貌的影响;利用紫外⁃可见光谱仪㊁纳米粒度仪㊁透射电子显微镜(TEM)㊁X射线光电子能谱分析(XPS)对AuNPs理化性质进行了表征㊂结果表明,木质素作还原剂成功制备了AuNPs,最佳制备工艺如下:木质素质量浓度为0.1mg/mL,HAuCl4浓度为1.00mmol/L,HAuCl4溶液与木质素溶液体积比为4ʒ1,光照时间为60min,此条件下制得的AuNPs平均粒径为32.14nm㊂此外,以亚甲基蓝(MB)和对硝基苯酚(4⁃NP)为污染物模型物探究了AuNPs的催化性能,结果表明,AuNPs对MB和4⁃NP具有良好的光催化还原性能,反应速率常数分别为0.7658和0.3166min-1㊂木质素还原Au(Ⅲ)制备得到的AuNPs/木质素用于废水中染料和硝基芳香族污染物的光催化还原,不仅实现了木质素的高值化利用,而且实现了废水中有机污染物的高效去除㊂关键词:木质素;金纳米颗粒;光催化降解;有机污染物;废水中图分类号:O643.36;TB383㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:2096-1359(2024)01-0109-08FabricationofgoldnanoparticlesbyligninreductionanditscatalyticperformanceLIMoyan,LONGXing,ZHANGQingtong,LIANGZhanming,MINDouyong∗(CollegeofLightIndustryandFoodEngineering,GuangxiKeyLabofCleanPulp&PapermakingandPollutionControl,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)Abstract:Lignininnaturehasawiderangeofsources,beingsecondonlytocelluloseincontent,andisarenewablearomaticpolymerwithvariousproperties.Iflignincanbeactivelyconvertedintoarenewableresourceorpricedasahighervaluematerial,itsabundanceinnatureishighlylikelytosolvetheproblemofrapidresourcedepletion.AuNPshaveuniquecatalyticactivityduetotheirhighspecificsurfacearea,activesurfacebondingandelectronicstates,andincompletesurfaceelectroniccoordination.Duetopeople semphasisonthebiologicalenvironmentandapreferencefornon⁃toxicchemicalsandsaferorganicsolvents,thegreensynthesisofAuNPsisreceivingincreasingattention.Ligninisanaturalthree⁃dimensionalnetworkstructurewithvariousreducingfunctionalgroups,whichcanachievegreenpreparationofgoldnanoparticlesandpreventtheaggregationofgeneratedgoldnanoparticles,maintainingtheircatalyticandantibacterialactivities.Inthisstudy,ligninwasutilizedtoreduceAu(Ⅲ)undersolarexcitationtopre⁃paregoldnanoparticles(AuNPs),whichwereusedforcatalyticreductionoforganicpollutants.Thefactorsincludingligninmassconcentration,HAuCl4concentration,andreactiontimeontheparticlesizeandmorphologyofAuNPswereinvestigated.AuNPswerecharacterizedbytheUV⁃visspectroscopy,nanoparticlesizeanalyzer,transmissionelectronmicroscope(TEM)andX⁃rayphotoelectronspectroscopy(XPS).TheresultsshowedthatAuNPsweresuc⁃cessfullypreparedusingligninasareducingagent.Theoptimalpreparationconditionwasasfollows:ligninmasscon⁃centrationwas0.1mg/mL,HAuCl4concentrationwas1.00mmol/L,volumeratioofHAuCl4andligninwas4ʒ1,illuminationtimewas60min,andtheaverageparticlesizeofAuNPswas32.14nm.Astypicalorganicpollutants,methyleneblue(MB)andp⁃nitrophenol(4⁃NP)arewidelypresentinindustrialwastewatersuchastextile,paper⁃making,andprinting.Duetotheirstrongphotostabilityandantioxidantproperties,theyaredifficulttodegradeandposeaseriousthreattohumanhealthandthenaturalenvironment.Therefore,MBand4⁃NPwereusedasorganicpol⁃林业工程学报第9卷lutantmodelstoexplorethecatalyticperformanceofAuNPs.Thecatalyticrateofthereactionwasevaluatedbycalcu⁃latingthereactionrateconstantkvalueusingquasifirst⁃orderkinetics.ThereactionrateconstantsofAunanoparticlesforMBand4⁃NPwere0.7658and0.3166min-1,respectively,indicatingthatAunanoparticleshadgoodcatalyticreductionperformanceforMBand4⁃NP.AuNPs/ligninpreparedvialigninreducingAu(Ⅲ)toAu(0)wasusedforphotocatalyticreductionofdyeandnitroaromaticpollutantsinwastewater,whichnotonlyrealizedhighvalueuti⁃lizationoflignin,butalsoachievedefficientremovaloforganicpollutantsinwastewater.Keywords:lignin;goldnanoparticle;photo⁃catalyticdegradation;organiccontaminant;wastewater㊀㊀木质素是芳香族化合物中少有的天然可再生资源之一,其含量仅次于纤维素,广泛存在于植物细胞中㊂在制浆企业生产过程中,作为工业废弃物的木质素大部分在碱回收工段进行燃料处理获得蒸汽或热能[1],仅有5%的工业木质素用于制造分散剂㊁添加剂㊁表面活性剂和胶黏剂等高价值商业产品,大部分都没有得到合理的利用[2-3]㊂木质素分子结构中还原性的酚羟基可作为还原剂,将金属离子还原成金属单质并生长成纳米颗粒㊂柠檬酸钠是最早被用于合成金属纳米粒子的还原剂,由于柠檬酸钠还原性弱,用这种方法制备出的纳米粒子单分散性较差且纳米粒子尺寸难以调控[4]㊂相较于水合肼(H6N2O)㊁硼氢化钠(NaBH4)等有毒还原剂,木质素可以在不添加其他外源还原剂的条件下将Pt2+㊁Ag+㊁Au3+等金属离子还原并生成金属纳米粒子[5]㊂这种利用木质素的还原性制备贵金属纳米粒子的方法,为开发一种新型木质纤维素高值化利用手段提供了新的切入点㊂金(Au)是化学性质最稳定的元素之一,而纳米级别的金具有独特的光电㊁物化性质及良好的生物相容性[6];因此,在众多的纳米材料研究中,金纳米颗粒(AuNPs)是被研究最多㊁最广泛以及最深入的纳米材料之一㊂AuNPs在构建生物传感器㊁研究电化学催化㊁光电㊁物化性能等方面都有很广阔的应用前景㊂AuNPs具有高比表面积,活泼的表面键态㊁电子态,表面电子配位不全等特点,赋予了其独特的催化活性,是催化还原染料废水中亚甲基蓝(MB)或难生化降解废水中对硝基苯酚(4⁃NP)的优良催化剂㊂作为典型的有机污染物,MB与4⁃NP广泛存在于纺织㊁造纸㊁印刷等工业废水中,因其具有较强的光稳定性和抗氧化性,很难被生物降解,对人体健康和自然环境构成严重威胁[5,7-8]㊂Wu等[9]对AuNPs催化NaBH4还原4⁃NP的性能展开了研究,结果表明AuNPs具有优异的催化活性,但其高比面积和高表面能导致其稳定性差,在水溶液中极易发生聚沉,导致催化活性显著降低㊂目前已报道了多种在载体上沉积AuNPs的方法,如光沉积㊁化学沉积,浸渍和化学还原等,但这些技术中的大多数在控制成本和简化实验步骤等方面受到限制㊂此外,采用传统工艺得到的AuNPs通常具有多分散性,这是由于金属纳米颗粒之间的重力沉降和捕获引起的前驱体溶液分散不均匀导致的㊂而木质素的三维网状结构可以有效阻止AuNPs在水溶液中发生聚沉[10-11]㊂笔者以木质素为还原剂,在太阳光驱动下将Au3+还原成Au(0)并进一步生长成AuNPs,替代传统制备方法中所用的水合肼㊁NaBH4等有毒试剂[12],深入探究了Au3+物质的量浓度㊁木质素质量分数㊁光照时间等不同变量对AuNPs尺寸和形貌的影响;再以MB和4⁃NP为模拟污染物,探究AuNPs/木质素的催化性能,揭示其光催化机理,为木质素高值化利用提供一定的理论依据㊂1㊀材料与方法1.1㊀试验材料酶解木质素由山东龙力科技股份有限公司提供;4⁃NP㊁MB㊁NaBH4和HAuCl4购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司,均为分析纯;其他试剂均为国产分析纯㊂1.2㊀酶解木质素纯化酶解木质素纯化步骤如下:1)称取30g酶解木质素,室温条件下,溶解在100mL1mol/LNaOH中,过滤除去不溶杂质;2)在滤液中逐滴加入10%(质量分数)HCl,直至溶液pH=2;3)在4000r/min下离心10min,收集沉淀物并用去离子水重复多次洗涤,冷冻干燥获得粗木质素;4)称取10g粗木质素溶于100mL丙酮,连续搅拌6h,使木质素均匀溶解在丙酮中㊂然后在4000r/min的转速下离心10min,收集上层清液,35ħ下旋蒸,冷冻干燥获得纯化木质素㊂1.3㊀木质素结构表征采用AGILENT1260型凝胶渗透色谱(GPC,美国安捷伦)分析纯化木质素样品的分子量㊂取50mg木质素与1mL吡啶充分混合后再加入1mL乙酸酐混合均匀,室温下避光反应48h,经乙醇和去离子水洗涤并旋转蒸发3次后,得到乙酰化木质011㊀第1期李茉琰,等:木质素还原制备金纳米颗粒及其催化性能素㊂使用不同相对分子质量的聚苯乙烯建立标准曲线,测试乙酰化木质素的数均分子量(Mn)㊁重均分子量(Mw)和多分散性(PD)㊂采用AVANCEⅢHD600型31P核磁共振(31P⁃NMR,德国Bruker)测定纯化木质素样品的羟基官能团含量㊂将0.4mmol乙酰丙酮铬加入10mL氘代吡啶中,再加入5mmolN⁃羟基琥珀酰亚胺溶液作为内标,充分溶解后即得到含有弛豫剂的内标溶液;取15mg木质素样品置于5mL棕色样品瓶中,再依次加入400μL二甲基亚砜(DMSO)㊁200μL内标溶液和80mL2⁃氯⁃4,4,5,5⁃四甲基⁃1,3,2⁃二氧磷杂环戊烷(TMDP),震荡摇匀至样品完全溶解后立即转移到核磁管中进行测试(测试参数:脉冲角90ʎ,温度298K,扫描次数32次,谱图宽度100ˑ10-6,等待时间6s,中心频率145),各级分官能团含量计算公式如下[13]:酚羟基的含量=A/Aᶄˑ0.01/w(1)式中:A为样品中酚羟基的积分面积;Aᶄ为内标量N⁃羟基琥珀酰亚胺的积分面积;0.01为样品溶液中31PNMR的物质的量,mmol;w为样品质量,g㊂1.4㊀金纳米颗粒/木质素分散体系制备称取10mg纯化木质素溶于100mL丙酮,搅拌30min得到0.1g/L木质素溶液㊂按一定体积比将木质素溶液与HAuCl4溶液均匀混合,在模拟太阳光(500W氙灯)下反应1h,得到AuNPs/木质素悬浮液㊂HAuCl4浓度分别为0.05,0.10,0.50,1.00,1.50,2.00,2.50和3.00mmol/L,HAuCl4溶液与木质素溶液(0.1g/L)的体积比分别为1ʒ10,1ʒ2,1ʒ1,2ʒ1,3ʒ1,4ʒ1和5ʒ1,光照时间分别为3,5,10,20,30,60,90,120,150,180和210min㊂1.5㊀AuNPs/木质素性质表征采用RuliHT7700型透射电子显微镜(TEM,日本日立)观察AuNPs的形貌;采用ZS90X型纳米粒度仪(美国MalvernPanalytial)测定AuNPs的粒径与分布;采用SPECONDPLUS50型紫外⁃可见光谱仪(UV⁃Vis,德国AnalytikJena)测定AuNPs悬浮液的紫外⁃可见光谱;采用THERMOESCALAB250Ⅺ型X射线光电子能谱仪(XPS,美国ThermoFisher)分析样品组分与化合态(单色AlKaX射线(1486.68eV),扫描范围为0.0 1350.0eV,通过能为30eV,扫描数为3次)㊂1.6㊀催化性能测定利用去离子水分别配制100mL0.1mmol/LMB和0.1mmol/L4⁃NP㊂为防止NaBH4分解,在冰水浴中配制100mL40mmol/LNaBH4㊂分别将1.5mLNaBH4溶液与1.5mLMB㊁4⁃NP在标准比色皿(光程长度为1cm)中混合,加入100μLAuNPs/木质素溶液,利用UV⁃Vis(测量模式为光谱扫描,扫描范围为200 800nm,Delta为2nm,速度为200nm/s)分别在664和400nm处监测MB和4⁃NP特征峰的变化㊂加入不同浓度的AuNPs/木质素,探究其对两种有机污染物的催化效率㊂有机污染物的光催化降解速率计算公式为:-ln(Ct/C0)=-ln(At/A0)=kt(2)式中:A0为初始吸光度;At为t时刻吸光度;C0为污染物初始浓度,mmol/L;Ct为t时刻污染物浓度,mmol/L;t为反应时间,min;k为反应速率常数,min-1㊂2㊀结果与分析2.1㊀结构表征2.1.1㊀木质素的结构表征酶解木质素纯化前,木质素的Mn为1867g/mol,Mw为2744g/mol,PD为1.47;纯化后,木质素的分子量降低,Mn降低至855g/mol,Mw降低至1243g/mol,PD约为1.45,无明显变化㊂纯化前,分子量大的木质素在丙酮中溶解度低是导致纯化木质素分子量降低的主要原因㊂纯化木质素的31P⁃NMR对应主要特征峰的归属及定量分析如表1所示,纯化木质素中紫丁香基酚羟基含量为1.48mmol/g,愈创木基酚羟基含量为2.65mmol/g,对羟苯基酚羟基含量为1.52mmol/g,脂肪族羟基含量为4.37mmol/g,羧基含量为2.94mmol/g㊂31P⁃NMR分析结果表明:纯化木质素含有丰富的还原性基团(羟基),能够将Au(Ⅲ)还原成Au(0)㊂表1㊀由31P⁃NMR分析得到的木质素羟基含量Table1㊀Thehydroxylcontentsoflignindeterminedby31P⁃NMR化学位移δ信号归属纯化木质素/(mmol㊃g-1)152.5 151.5脂肪族羟基4.37142.7 140.4紫丁香基酚羟基1.48140.4 138.8愈创木基酚羟基2.65138.7 137.4对羟苯基酚羟基1.52142.7 137.4总酚羟基5.65136.0 133.6羧基2.942.1.2㊀AuNPs的结构表征AuNPs/木质素的TEM图见图1a,在模拟太阳光照射条件下,酶解木质素作还原剂和稳定剂,能够获得尺寸较均一且分散性良好的AuNPs/木质素㊂AuNPs的高分辨图像电子衍射图像(SAED)见图1b,经测量分析可知AuNPs的晶格条纹间距111林业工程学报第9卷a)TEM;b)高分辨⁃TEM;c)木质素和AuNPs/木质素的XPS光谱;d)Au4f的高分辨率XPS光谱㊂图1㊀AuNPs的结构表征图Fig.1㊀StructuralcharacterizationdiagramsofAgNPs为0.235nm,与文献[14]报道的AuNPs(111)晶面的晶格间距一致,AuNPs的SAED中(111)㊁(002)㊁(022)㊁(222)㊁(024)平面的出现证明了生成的AuNPs是多晶结构㊂采用XPS对AuNPs以图2㊀不同HAuCl4和木质素溶液体积比下AuNPs紫外⁃可见光谱图和粒径分布Fig.2㊀UV⁃visspectraandparticlesizedistributionofAuNPspreparedwithdifferentvolumeratiosofHAuCl4/ligninsolutions及木质素的元素组成和表面化学性质进行了表征,其XPS全谱的测试结果见图1c,相较于木质素位于286.8eV的C1s㊁400.2eV的N1s和532.17eV的O1s,AuNPs出现了新的Au4f信号峰分别对应于Au的4f5/2和4f7/2位于87.5和83.8eV的特征峰(图1d),综上可知,本研究已经成功制备了AuNPs㊂2.2㊀AuNPs/木质素制备工艺优化2.2.1㊀溶液体积比研究表明,Au㊁Ag㊁Pt等贵金属纳米粒子在紫外可见光波段展现出很强的光谱吸收,从而发生局域表面等离子体共振(LSPR)的现象,AuNPs的紫外吸收峰λ=520nm㊂因此,HAuCl4溶液/木质素溶液反应后出现的UV特征吸收峰,表明溶液中Au3+被木质素溶液还原形成Au单质㊂此外,特征吸收峰的变化可以反映表面等离子体共振(SPR)的频率变换,SPR发生蓝移表明金属纳米粒子的粒径减小,SPR发生红移表明金属纳米粒子的粒径增大[15-16]㊂当HAuCl4溶液与木质素溶液体积比为1ʒ1时,在520nm处出现了比较明显的特征峰(图2a),表明AuNPs的生成,并且随着溶液体积比的增大,520nm处的吸收峰逐渐变得尖锐并出现蓝移,说明AuNPs的粒径随反应体系中Au3+211㊀第1期李茉琰,等:木质素还原制备金纳米颗粒及其催化性能增多而逐渐减小,并且当HAuCl4溶液与木质素溶液体积比为4ʒ1时,特征峰最尖锐且蓝移最大(图2a)㊂通过纳米粒度分析仪获得了AuNPs粒径分布(图2b),其中HAuCl4溶液与木质素溶液体积比在不断增大时,AuNPs平均粒径出现了先减小后增大的趋势㊂当两溶液体积比为4ʒ1时,此时AuNPs的平均粒径最小,为33.54nm,与UV⁃Vis分析结果一致㊂这可能是因为反应体系中Au3+的增多致使AuNPs的产率随之增加,直至HAuCl4溶液与木质素溶液体积比为4ʒ1,体系中的AuNPs开始发生聚集,不再趋于稳定㊂因此,利用模拟太阳光催化制备AuNPs时,HAuCl4溶液与木质素溶液体积比为4ʒ1时获得的AuNPs平均粒径最小㊂2.2.2㊀光照时间在不同光照时间下进行AuNPs的还原实验,结果见图3㊂如图3a所示,当模拟太阳光照射10min时,在反应体系中观察到SPR峰的出现,表明有AuNPs生成㊂随光照时间的增加,SPR强度逐渐增强,当光照时间达30min时,SPR峰的强度不再变化,表明AuNPs在该溶液体系中完成了还原;继续进行光照60min时,SPR峰位较30min出现蓝移,随后SPR峰又开始红移,表明生成的AuNPs粒径先减小后增大,因此光照催化时间为60min时AuNPs粒径达到最小㊂这一现象出现的原因可能是随着反应时间的增加,体系中不断产生AuNPs而后发生聚集㊂利用纳米粒度仪测量不同光照时间下的AuNPs粒径分布,如图3b所示,随着光照时间的增加,AuNPs的粒径在光照60min时最小(32.68nm),与SPR峰测量结果一致㊂因此,模拟太阳光催化制备图3㊀不同光照时间下AuNPs紫外⁃可见光谱图和粒径分布Fig.3㊀UV⁃visspectraandparticlesizedistributionofAuNPspreparedwithdifferentilluminationtimes㊀㊀光照30,60和90min制得的AuNPs的TEM形貌图见图4㊂结果表明,光照时间对AuNPs的形貌及尺寸影响较小㊂当光照时间为30min时,AuNPs的平均粒径为41.63nm;当光照时间为60min时,AuNPs的平均粒径为32.68nm;当光照时间为90min时,AuNPs的平均粒径为39.98nm㊂a)30min;b)60min;c)90min㊂图4㊀不同光照时间生成的AuNPsFig.4㊀MorphologyofAuNPspreparedwithdifferentlightirradiationtimes2.2.3㊀HAuCl4浓度当HAuCl4溶液与木质素溶液体积比和光照时间固定时,反应体系中适当的Au3+浓度可以使木质素迅速将Au3+还原成AuNPs[10]㊂不同HAuCl4浓度下木质素还原AuNPs的SPR谱图见图5㊂如图5a所示,AuNPs的SPR峰随HAuCl4浓度增大而逐渐增强,说明溶液中生成的AuNPs不断增多㊂当HAuCl4浓度为1.00mmol/L时,AuNPs在520nm处的SPR尖锐且峰值高,说明此时AuNPs粒径分布窄且产量较高;当HAuCl4浓度增大至1.50mmol/L时,SPR峰值到达最大,继续增大浓度,SPR峰值开始逐渐减弱,半峰宽变大,峰位红移,此时生成的AuNPs因体系中Au3+的饱和而发生团聚导致粒径增大,Au核浓度也随之降低㊂不同HAuCl4浓度下生成的AuNPs粒径分布图见图5b㊂由图5b可知,随着HAuCl4浓度的增加,Au311林业工程学报第9卷NPs粒径表现出逐渐减小的趋势㊂直至HAuCl4浓度增大至1.00mmol/L时,AuNPs的平均粒径最小,为32.41nm;此后随着HAuCl4浓度的继续增加,生成的AuNPs无法均匀分散在体系中而发生团聚,粒径逐渐增大,当HAuCl4浓度为3.00mmol/L时,AuNPs的平均粒径可达703.8nm㊂图5㊀不同HAuCl4浓度下AuNPs紫外⁃可见光谱图和粒径分布Fig.5㊀UV⁃visspectraandparticlesizedistributionofAuNPspreparedwithdifferentconcentrationsofAu3+㊀㊀在光照条件下,控制不同浓度的HAuCl4溶液得到AuNPs的形貌如图6所示㊂当HAuCl4浓度较低时,Au3+被还原成Au核后,由于Au3+不足,导致Au停止生长,稳定分散在溶液中(图6a和b);随着Au3+浓度的增加,被还原的Au核也越来越多,Au3+开始附着在Au核表面上生长从而出现了不同形貌(图6c);当HAuCl4浓度为1.00mmol/L时,生成的AuNPs浓度较0.50mmol/L时更高,尺寸更均一(如图6c和d);当HAuCl4浓度继续增加至1.50mmol/L时,AuNPs开始出现不同程度的团聚(图6e),继续增加HAuCl4浓度,团聚现象加剧(图6f)㊂这与图5a中Au3+高于1.50mmol/L时,AuNPs的SPR峰强度降低,并伴随着红移现象的出现一致㊂因此,利用木质素在模拟太阳光催化下制备AuNPs最佳的HAuCl4溶液浓度为1.00mmol/L㊂a)0.05mmol/L;b)0.10mmol/L;c)0.50mmol/L;d)1.00mmol/L;e)1.50mmol/L;f)2.00mmol/L㊂图6㊀不同浓度HAuCl4制得AuNPs的TEM图Fig.6㊀MorphologyofAuNPspreparedwithdifferentconcentrationsofAu3+2.3㊀AuNPs/木质素的催化性能2.3.1㊀AuNPs/木质素催化还原模型污染物室温下,以MB和4⁃NP作为有机污染物模型探究AuNPs/木质素分散体系的催化活性㊂利用UV⁃Vis分别测定MB和4⁃NP在664和400nm处的紫外吸收峰强度变化[14,17]㊂在3mLMB(0.05mmol/L)和NaBH4(0.05mmol/L)溶液中加入15μLAuNPs/木质素分散液(1mmol/L),MB在664nm处的特征吸收峰强度随时间的增加而逐渐减弱,并在5min后趋于平缓(图7a)㊂MB的催化还原率在5min内达97%,MB几乎完全被还原;同样地,加入20μLAuNPs/木质素分散液(1mmol/L)时催化还原率在3.3min内达95%(图7b);而当反应体系中只有MB和NaBH4存在时,即使均匀混合12min,MB在664nm处的吸收峰也几乎不发生变化,这说明没有AuNPs存在时,MB未发生还原反应(图7c)㊂在3mL4⁃NP(0.05mmol/L)和NaBH4(0.05mmol/L)溶液中加入50μLAuNPs/木质素411㊀第1期李茉琰,等:木质素还原制备金纳米颗粒及其催化性能分散液(1mmol/L),随着反应时间的增加,4⁃NP在400nm处的特征吸收峰强度逐渐减弱(图7d)㊂同时,300nm处新出现的紫外吸收峰,表明4⁃NP被逐渐催化还原成4⁃氨基苯酚(4⁃AP)㊂反应进行到7.3min时,AuNPs对4⁃NP的催化还原率达82%;AuNPs/木质素分散液(1mmol/L)加入量为80μL达83%(图7e),AuNPs/木质素分散液加入量的增加使其对4⁃NP的催化还原时间明显缩短;当反应体系中只有4⁃NP和NaBH4时,即使混合反应12min,4⁃NP在400nm处的紫外吸收峰也基本不变(图7f),这说明体系中无AuNPs/木质素存在时,4⁃NP未发生催化还原㊂实验结果表明,AuNPs/木质素分散体系对MB和4⁃NP均有良好的催化还原作用㊂d)50μLAuNPs(1mmol/L)(4⁃NP+NaBH4);e)80μLAuNPs(1mmol/L)(4⁃NP+NaBH4);f)无AuNPs(4⁃NP+NaBH4)㊂图7㊀MB和4⁃NP在664和400nm处的紫外吸收峰强度变化Fig.7㊀UV⁃visspectraofMBand4⁃NPsolutionsaddedwithdifferentAuNPssolutions图8㊀AuNPs催化NaBH4催化还原准一级动力学Fig.8㊀Quasifirst⁃orderkineticsofreductionofMBand4⁃NPbyNaBH4catalyzedwithAuNPs2.3.2㊀AuNPs/木质素催化还原动力学分析为了进一步探究AuNPs/木质素对MB和4⁃NP的催化还原活性,通过准一级动力学计算反应速率常数k值评估反应的催化速率,k值越大,催化反应速率越快㊁反应时间越短,说明AuNPs/木质素的催化性能越好㊂根据ln(Ct/C0)与反应时间之间的线性关系计算反应速率常数k,结果如图8所示㊂20μLAuNPs对MB和NaBH4的催化反应速率k值为0.7658min-1,80μLAuNPs对4⁃NP和4的催化反应速率k值为0.3166min-1,说明催化剂AuNPs/木质素对MB㊁4⁃NP均有较好的催化还原活性,且反应动力学常数随AuNPs/木质素加入量的增加而增加㊂基于以上实验结论,提出AuNPs/木质素在该条件下对于MB的催化反应机理:NaBH4在水溶液中首先电离出Na+离子和BH4-离子,BH4-离子提供电子诱导MB的还原;在不存在催化剂的条件下,该反应的发生需要越过一个较高的能量势垒,因而该反应自发过程十分缓慢㊂然而,当体系中引入AuNPs后,Au分子511林业工程学报第9卷和BH4-离子与AuNPs接触时,MB分子从AuNPs催化剂表面获得电子,随之立即被还原和解吸,为后续的MB分子释放一个新的还原位点,并重复上述过程以确保还原反应的连续性㊂4⁃NP的还原机理同上,4⁃NP分子从AuNPs催化剂表面获得电子后被立即催化还原,最终达到较高催化还原水平㊂3㊀结㊀论利用一种简单的光催化木质素还原Au(Ⅲ)的方式制备了具有优异催化还原性能的AuNPs/木质素,深入探究了Au3+浓度㊁木质素质量分数㊁光照时间等不同变量对AuNPs尺寸和形貌的影响,以MB和4⁃NP为模拟污染物,探究AuNPs/木质素的催化性能,揭示其光催化机理,具体结论如下:1)纯化木质素溶液作为Au3+的还原剂和稳定剂,在光催化条件下,通过调控HAuCl4溶液/木质素溶液体积比㊁光照时间以及HAuCl4浓度可以制得粒径可控的AuNPs㊂2)制备AuNPs的最佳工艺条件为:HAuCl4与木质素体积比4ʒ1,光照时间60min,HAuCl4浓度1.00mmol/L,其平均粒径为32.41nm㊂3)催化降解动力学分析证明AuNPs/木质素对MB(3.3min,95%)和4⁃NP(5.7min,83%)均有较好的催化还原活性㊂参考文献(References):[1]WANGBB,YANGGH,CHENJC,etal.Greensynthesisandcharacterizationofgoldnanoparticlesusingligninnanoparticles[J].Nanomaterials,2020,10(9):1869.DOI:10.3390/nano10091869.[2]LOWLE,TEHKC,SIVASP,etal.Ligninnanoparticles:thenextgreennanoreinforcerwithwideopportunity[J].EnvironmentalNanotechnologyMonitoring&Management,2021,15:100398.DOI:10.1016/j.enmm.2020.100398.[3]ARRUDAMDM,DAPAZLEÔNCIOAS,DACRUZFILHOIJ,etal.CharacterizationofaligninfromCrataevatapialeavesandpotentialapplicationsinmedicinalandcosmeticformulations[J].InternationalJournalofBiologicalMacromolecules,2021,180:286-298.DOI:10.1016/j.ijbiomac.2021.03.077.[4]荆京.水解条件下柠檬酸根修饰的球形银纳米粒子的尺寸调控[D].长春:吉林大学,2011.JINGJ.Sizecontrolofthecitratecapedsphericalsilvernanoparti⁃clesinhydrolyzingconditions[D].Changchun:JilinUniversity,2011.[5]苏秀茹,傅英娟,李宗全,等.木质素的分离提取与高值化应用研究进展[J].大连工业大学学报,2021,40(2):107-115.DOI:10.19670/j.cnki.dlgydxxb.2021.0205.SUXR,FUYJ,LIZQ,etal.Researchprogressonextractionandhigh⁃valueapplicationoflignin[J].JournalofDalianDalianPolytechnicUniversity,2021,40(2):107-115.[6]王玉先,张红漫,朱丽英,等.金属纳米团簇的合成及抗菌效应的研究进展[J].生物加工过程,2022,20(1):81-87.DOI:10.3969/j.issn.1672-3678.2022.01.011.WANGYX,ZHANGHM,ZHULY,etal.Researchprogressinthesynthesisandantimicrobialeffectofmetalnanoclusters[J].ChineseJournalofBioprocessEngineering,2022,20(1):81-87.[7]岳华东,杭梦婷,郑梦绮,等.新型的氨基稀土金属有机骨架材料的制备及光催化降解有机染料研究[J].化工新型材料,2022,50(6):146-150.YUEHD,HANGMT,ZHENGMQ,etal.Studyonprepara⁃tionofnewtypeaminoY⁃MOFmaterialandphotocatalyticdegra⁃dationoforganicdyes[J].NewChemicalMaterials,2022,50(6):146-150.[8]CHENY,WUT,XINGGL,etal.Fundamentalformationofthree⁃dimensionalFe3O4microcrystalsandpracticalapplicationinanchoringAuasrecoverablecatalystforeffectivereductionof4⁃nitrophenol[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch,2019,58(33):15151-15161.DOI:10.1021/acs.iecr.9b02777.[9]WUF,YANGQ.Ammoniumbicarbonatereductionroutetouni⁃formgoldnanoparticlesandtheirapplicationsincatalysisandsur⁃face⁃enhancedRamanscattering[J].NanoResearch,2011,4(9):861-869.DOI:10.1007/s12274-011-0142-9.[10]张清桐,运晓静,颜德鹏,等.太阳光催化木质素制备银纳米颗粒[J].林产化学与工业,2019,39(4):35-41.DOI:10.3969/j.issn.0253-2417.2019.04.005.ZHANGQT,YUNXJ,YANDP,etal.Preparationofslivernanoparticlesbyligninundersolarlightirradiation[J].ChemistryandIndustryofForestProducts,2019,39(4):35-41.[11]LIJ,ZENGHC.PreparationofmonodisperseAu/TiO2nanoca⁃talystsviaself⁃assembly[J].ChemistryofMaterials,2006,18:4270-4277.DOI:10.1021/cm06362r.[12]DASSK,DICKINSONC,LAFIRF,etal.Synthesis,characte⁃rizationandcatalyticactivityofgoldnanoparticlesbiosynthesizedwithRhizopusoryzaeproteinextract[J].GreenChemistry,2012,14(5):1322-1334.DOI:10.1039/C2GC16676C.[13]ZHANGQT,LIMF,GUOCY,etal.Fe3O4nanoparticlesloadedonligninnanoparticlesappliedasaperoxidasemimicforthesensitivelycolorimetricdetectionofH2O2[J].Nanomaterials,2019,9(2):210.DOI:10.3390/nano9020210.[14]ZHANGQT,LIMF,LUOB,etal.Insitugrowthgoldnanopar⁃ticlesinthree⁃dimensionalsugarcanemembraneforflowcatalyticalandantibacterialapplication[J].JournalofHazardousMaterials,2021,402:123445.DOI:10.1016/j.jhazmat.2020.123445.[15]CHENX,ZHUHY,ZHAOJC,etal.Visible⁃light⁃drivenoxi⁃dationoforganiccontaminantsinairwithgoldnanoparticlecata⁃lystsonoxidesupports[J].AngewandteChemie(InternationalEdinEnglish),2008,47(29):5353-5356.DOI:10.1002/anie.200800602.[16]TAKAHIROK,NAYASI,TADAH.Highlyactivesupportedplasmonicphotocatalystconsistingofgoldnanoparticle⁃loadedme⁃soporoustitanium(Ⅳ)oxideoverlayerandconductingsubstrate[J].TheJournalofPhysicalChemistryC,2014,118(46):26887-26893.DOI:10.1021/jp5094542.[17]ZHANGQT,SOMERVILLERJ,CHENL,etal.Carbonizedwoodimpregnatedwithbimetallicnanoparticlesasamonolithiccontinuous⁃flowmicroreactorforthereductionof4⁃nitrophenol[J].JournalofHazardousMaterials,2023,443(PtB):130270.DOI:10.1016/j.jhazmat.2022.130270.(责任编辑㊀李琦)611。
贵金属催化剂的制备与表征催化剂是一种能够促进化学反应的物质,其中贵金属催化剂具有独特的催化性能。
贵金属催化剂可以催化许多重要的化学反应,如加氢、氧化、脱氢等反应,具有广阔的应用前景。
本文将介绍贵金属催化剂的制备与表征。
一、贵金属催化剂的制备制备贵金属催化剂的方法多种多样,比较常见的有贵金属离子还原法、嵌入法、沉淀法、还原处理后膜法等。
1. 贵金属离子还原法贵金属离子还原法是一种经典的贵金属催化剂制备方法。
该方法使用贵金属盐溶液,将其还原成贵金属纳米粒子。
还原剂通常是还原性较强的物质,如氢气、氯化亚锡、氨水等。
通常,还原剂的数量、还原温度及pH值等因素均会对贵金属催化剂的制备产生影响。
2. 嵌入法嵌入法是一种简单易行的贵金属催化剂制备方法。
该方法通常将贵金属催化剂嵌入到载体中,如炭黑、硅胶等。
嵌入贵金属的原理是将贵金属盐的水溶液与载体溶液混合,然后将混合物固化后,通过热处理或还原处理,将贵金属氧化物还原成纳米粒子。
这种方法制备的贵金属催化剂常常具有高的活性和选择性。
3. 沉淀法沉淀法是一种常见的贵金属催化剂制备方法。
该方法将贵金属盐溶液加入还原剂,制备贵金属纳米粒子。
然后通过离子交换或阳离子吸附等方法,将贵金属纳米粒子沉淀到载体表面,制备贵金属催化剂。
4. 还原处理后膜法还原处理后膜法是一种新型的贵金属催化剂制备方法。
该方法将贵金属盐溶液分散在载体溶液中,制备贵金属纳米粒子。
然后将溶胶涂覆在载体上,通过还原处理制备贵金属催化剂膜。
这种方法制备的贵金属催化剂通常具有较高的催化活性和选择性。
二、贵金属催化剂的表征贵金属催化剂的表征是制备催化剂的过程中十分重要的一环。
正确而准确地表征贵金属催化剂的物理和化学性质,能够为催化反应机理的研究提供有力的支持。
1. 粒径分布粒径分布是一种表征贵金属催化剂粒子大小的方法。
通常,通过透射电镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等仪器,观察贵金属粒子的形貌和大小。
贵金属粒子的粒径大小是影响贵金属催化剂催化活性和选择性的重要因素之一。
纳⽶粒⼦的制备⽅法综述纳⽶粒⼦的制备⽅法综述摘要:纳⽶材料是近期发展起来的⼀种多功能材料。
在纳⽶材料的当前研究中,其制备⽅法占有极其重要的地位,新的制备⼯艺过程的研究与控制对纳⽶材料的微观结构和性能具有重要的影响。
本⽂主要概述了纳⽶材料传统的及最新的制备⽅法。
纳⽶材料制备的关键是如何控制颗粒的⼤⼩和获得较窄且均匀的粒度分布。
[1]Abstract :Nanometer material is a kind of multi-functional material which was developed in recend . In the current study of it , its produce-methods occupy the important occupation . New methods’ reseach and control have an important influence on Nanometer materials’microstructure and property .This title mainly introduces nanometer materials’traditional and new method of producing . The key of the nanometer material s’ producing Is how to control the grain size and get the narrow and uniform size distribution .关键词:纳⽶材料制备⽅法Key words :Nanometer material produce-methods正⽂:纳⽶材料的制备⽅法主要包括物理法,化学法和物理化学法等三⼤类。
下⾯分别从三个⽅⾯介绍纳⽶材料的制备⽅法。
物理制备⽅法早期的物理制备⽅法是将较粗的物质粉碎,其最常见的物理制备⽅法有以下三种:1.真空冷凝法⽤真空蒸发、加热、⾼频感应等⽅法使原料⽓化或形成等离⼦体,然后骤冷。
苏州科技大学材料科技进展化学生物与材料工程学院材料化学专业题目:纳米二氧化钛的制备及光催化*名:**学号:**********指导老师:***起止时间:5月20日——6月8日纳米二氧化钛的制备及光催化吕岩(苏州科技学院,化学与生物工程材料学院,江苏,苏州,215009)摘要:纳米二氧化钛是种重要的纳米材料,其在众多领域有着广泛的应用。
本文主要介绍纳米二氧化钛的多种制备方法,包括化学气相法(化学气相沉积法、化学气相水解法等)、液相法( 溶胶凝胶法、沉淀法、水热合成法等)两大类,并分析了各种工艺的优劣。
并介绍纳米二氧化钛光催化反应原理,基本方法,影响因素,及其广泛的应用。
通过介绍纳米二氧化钛的制备及光催化的研究,更深刻理解其在生产生活中应用。
关键词:纳米TiO2,制备方法,光催化.The study on preparation of nanometer TiO2 and photocatalyticLv Yan(University of Science and Technology of Suzhou,School of Chemical and Biological Engineering Materials,Jiangsu,Suzhou,215009) Abstract: A s an important nanomaterial nanometer TiO2 has wide app lications in many fields, such as environmental production. Preparation methods of nanomaterial TiO2w ere briefly summarized, including chemical gas phase method( CVD and chem ical gas phase hydro lysis method etc. ) and liquid phase method( sol- gelmethod, precipitation method, hydrothermal synthesismethod etc. ). The advan tages and disadvanges o f everym ethod w ere analyzed. Introduce nano TiO2reaction principle, basic method, influence factors, and its wide application. Through the introduction of the preparation of nano TiO2 research, a deeper understanding of its application in the production and living.Key words: nanometer T iO2; preparation method, photocatalysis引言:纳米二氧化钛是一种新型的光催化无机功能材料,由于其粒径在1~ 100 nm 之间, 具有粒径小、比表面积大表面活性高、分散性好等特点, 表现出独特的物理化学性质。
金、银和金银合金纳米粒子的制备及组装常金辉;赵冬梅;季大千;孙立国【摘要】金银纳米粒子具有表面效应、尺寸效应和量子限域效应等多种性质,在许多领域都有着广泛的应用.在诸多的应用中,这些有序排列的金银微球聚集体由于其在增强拉曼光谱方面的作用备受重视.使用化学还原法制备金纳米粒子,用两种不同的化学还原方法制备出两种粒径的银纳米粒子,用氯金酸和硝酸银化学共同还原法制备了金银合金纳米粒子.分别用紫外分析仪,X-射线衍射光谱仪(XRD),X-射线光电子能谱仪(XPS),扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对这些纳米粒子进行了测试和表征.同时利用笔者发明的自组装方法对所制备的规则纳米粒子进行了自组装.【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》【年(卷),期】2012(003)003【总页数】7页(P55-61)【关键词】金纳米粒子;银纳米粒子;金银合金纳米粒子;化学还原法;自组装【作者】常金辉;赵冬梅;季大千;孙立国【作者单位】黑龙江大学化学化工与材料学院,哈尔滨 150080;黑龙江东方学院食品与环境工程学部,哈尔滨150086;黑龙江大学化学化工与材料学院,哈尔滨150080;黑龙江大学化学化工与材料学院,哈尔滨 150080【正文语种】中文【中图分类】O614.120 引言金银纳米粒子的特殊性质受到了广泛地关注。
它们具有的表面性质、小尺寸性质和优异的单分散性被应用于各种领域,在各种化学分析、化学催化、光控开关、传感器、生物分析和生物医学检测等技术中都有光明的应用前景。
金银纳米粒子的很多特性都取决于金银纳米粒子的尺寸和形状,金银纳米粒子的尺寸不同,大比率的表面原子极大地增强了其表面活性。
独特的表面结构、电子状态和表面裸露都会极大地刺激和促进不同的化学反应,导致了它们的催化性能不同;不同的形状特性,可以应用在生物跟踪和检测中。
所以发展简单、大量、形貌稳定的制备技术已成为开展金银纳米粒子开发和应用的关键[1-3]。
贵金属纳米粒子的制备进展
2016-04-27 12:50来源:内江洛伯尔材料科技有限公司作者:研发部
贵金属纳米材料的制备
现阶段合成聚合物刷贵金属纳米粒子的方法主要有偶联法,引发法和配体交换法,制备的贵金属纳米粒子稳定,粒度均匀可控,用途广泛。
现阶段贵金属主要应用区域主要在纳米电子、纳米光学、催化、生物、传感器、治疗学、标记、诊断和控制释放等领域。
其中含硫聚合物刷稳定的贵金属纳米粒子尤为引人注目,因为巯基二硫键、二硫代酯或三硫代酯基团中的硫原子与贵金属纳米粒子有较强的相互作用,而且聚合物刷作为壳层材料有很多优点,如可以增强纳米粒子的长期稳定性,调控纳米粒子的溶解性,提高纳米粒子与聚合物基体的
相容性和可加工性等。
1.引发法:
首先在纳米粒子的表面引入可以引发聚合的官能团,然后采用适当的聚合方法引发单体聚合,从而得到聚合物刷保护的纳米粒子。
引发法有以下优点: ( 1) 通过改变聚合条件诸如单体浓度、温度、反应时间等可调控聚合物壳层的厚度; ( 2) 可以设计结构明确的聚合物,如嵌段或梳形聚合物; ( 3) 控制和实现较高的接枝密度。
通常有 3 种方法将引发剂引入到金属纳米粒子的表面: ( 1) 稳定剂本身就含有用来引发聚合的官能团; ( 2) 先将羟基、羧基等活性基团引入到粒子表面,再通过酯化反应引入引发基团; ( 3) 用含有引发基团的配体交换原有的稳定剂。
2.偶联法:
首先在纳米粒子的表面引入可以引发聚合的官能团,然后采用适当的聚合方法引发单体聚合,从而得到聚合物刷保护的纳米粒子。
引发法有以下优点: ( 1) 通过改变聚合条件诸如单体浓度、温度、反应时间等可调控聚合物壳层的厚度; ( 2) 可以设计结构明确的聚合物,如嵌段或梳形聚合物; ( 3) 控制和实现较高的接枝密度。
通常有 3 种方法将引发剂引入到金属纳米粒子的表面: ( 1) 稳定剂本身就含有用来引发聚合的官能团; ( 2) 先将羟基、羧基等活性基团引入到粒子表面,再通过酯化反应引入引发基团; ( 3) 用含有引发基团的配体交换原有的稳定剂。
3.配体交换法:
配体交换法首先用小分子配体合成金属纳米粒子,然后用含硫聚合物对小分子配体进行替代交换,即可得到聚合刷保护的金属纳米粒子。
这种配体交换有时需要纳米粒子合成后在极性和非极性溶剂中进行相转移,尤其是从非极性溶剂到水中的
相转移。
这个方向的相转移提供了许多重要的优点,包括( 1) 已经发展了许多种方法合成不同尺寸、形状和组成的水溶性金属纳米粒子,这些不能通过直接在非极性溶剂中合成得到; ( 2) 绝大多数能广泛得到的和较便宜的金属前体和还原剂是水溶性的; ( 3) 纳米粒子在水中的合成不依赖于相转移剂( 如四辛基溴化铵) 的使用,相转移剂的使用会引起严重的副反应; ( 4) 纳米粒子在非极性溶剂中的制备要容易得多,但由小分子配体在非极性溶剂中制备的大粒径的金属纳米粒子因为有较小的空间位阻和静电稳定作用,所以大部分方法只适用于直径为 10 nm 以下的粒子; ( 5) 纳米粒子在非极性溶剂中的有效的空间位效应通常使得它们可以在较高浓度下干燥、纯化、再溶解和使用,干燥的样品通常可以长期储存而不发生严重的聚集和降解。