专利名称：一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法
技术领域：
本发明属于ZnO纳米棒阵列的制备领域,特别涉及一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法。
背景技术：
贵金属催化剂由于其无可替代的催化活性和选择性，在药物制备、石油化工和有机合成中占有极其重要的地位。钯作为优良的贵金属催化剂具有优异的催化性能，其在各类有机化学反应中如氢化、氧化脱氢、氢化裂解、偶联以及汽车尾气净化等反应中，都有着广泛的应用，在石油化学工业中的应用甚至超过钼催化剂。但是，传统的贵金属催化反应由于其自身反应容器及催化剂载体的局限性，导致其存在着许多不可避免的弊端，比如催化效率低、副产物多、催化剂不易分离回收等。近年来，基于微反应器的贵金属催化反应，由于其优越的催化效果，逐渐弓I起人们的关注。化学反应的微型化是近年来化工技术领域的一大趋势。较常规反应容器，基于微通道的微反应器显示出了巨大的优势，如高的比表面积、快速的热量和质量传递等，这使其在连续光催化反应和有机合成以及生物医药等领域有了广泛的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法，该方法过程简单、耗费小，在微通道的内表面上得到了 Pd单质包覆的ZnO纳米棒阵列，大大增加了微通道内催化反应的比表面积。本发明的一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法，包括(I)ZnO纳米棒阵列的制备在室温下，依次将玻璃毛细管微通道浸泡于酸洗液和碱洗液中酸洗、碱洗各20 40min，最后用去离子水冲洗，烘干，得到清洗后的微通道；60°C下，将浓度为0. OlM的二水合醋酸锌乙醇溶液和浓度为0. 04M氢氧化钠的乙醇溶液，同时各以25i!L/min的速度注满上述清洗后的微通道，先60°C保温2h，再70°C保温2h，然后将升温至150°C退火2h，在微通道内表面上得到ZnO晶种层薄膜；最后，在90°C下，将浓度为0. 05M的硝酸锌水溶液和0. 05M的六亚甲基四胺水溶液同时各以25 u L/min的速度连续通入内表面上长有ZnO晶种层薄膜的微通道2h，清洗后在150°C下烘干，得到在微通道内表面上垂直生长的ZnO纳米棒阵列；(2) Pd单质溶胶的制备配制浓度为0. 005 0. 5g/mL钯盐的酸溶液，体积比为I : I I : 5的醇与水的混合溶液；取0. 5 3mL的钯盐的酸溶液，用去离子水稀释至10 15mL，并向其中加入
0.005 IgPVP ；70 90°C下搅拌，再以10 18mL/h的速度匀速滴加醇与水的混合溶液I 4h，得到深褐色的Pd单质溶胶； (3)微通道内表面上垂直生长Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备
于70 90°C下将上述Pd单质溶胶连续输送到步骤(I)得到的内表面上垂直生长的ZnO纳米棒阵列的微通道中进行包覆,输入时间为I 4h ;最后与100 150°C烘干,在微通道内表面上得到垂直生长的Pd单质包覆的ZnO纳米棒阵列。所述步骤(I)中的酸洗液为浓硫酸、双氧水和蒸馏水的混合液，其中浓硫酸、双氧水和蒸馏水的体积比4 I 20 ;碱洗液为氨水、双氧水和蒸馏水的混合液，其中氨水、双氧水和蒸馏水的体积比为I : 4 : 20。
所述步骤(2)的钯盐的酸溶液中钯盐为氯化钯或醋酸钯，优选氯化钯；酸为盐酸。所述步骤(2)中的醇为甲醇、乙醇或乙二醇，优选乙醇。所述步骤⑵中得到的Pd单质溶胶的浓度为0. I 10mg/mL。所述步骤⑵中得到的Pd单质溶胶的pH值为3. 8 7，优选pH值为4. 5 6。本发明中Pd单质溶胶包覆时间为I 4h，通过控制溶胶的包覆时间即可在微通道内表面上得到垂直生长的、最佳形貌、Pd单质包覆均匀的ZnO纳米棒阵列。本发明将Pd单质包覆的ZnO纳米棒垂直生长在微通道的内表面上的意义首先一维纳米结构将极大地增大微通道的比表面积；其次微通道自身的快速传质传热性能可以提高反应的效率和产物的选择性；最后它用作有机催化微反应器将避免纳米催化剂在使用过程中引起的团聚和使用后的分离，并且借助微反应器的内在优势将实现快速、连续的有机催化过程。本发明的方法将一维纳米材料的制备与微流控通道的修饰、改性结合起来，得到出用于快速、连续的有机催化反应的微反应器。有益效果(I)本方法过程简单、耗费小，结合纳米科技的最新研究成果促进基于微通道的微/纳米器件的功能化设计；(2)将一维纳米材料的制备与微通道的修饰、改性结合起来，在微通道的内表面上得到了 Pd单质包覆的ZnO纳米棒阵列，大大增加了微通道内催化反应的比表面积；(3)本发明的Pd单质包覆的ZnO纳米棒有望用于设计有机催化反应的微反应器，可以避免纳米催化剂在使用过程中引起的团聚及解决纳米催化剂分离耗时费力的问题，实现有机催化反应的连续进行。
图I微通道内表面上的ZnO纳米棒阵列的场发射扫描电镜照片a)倾斜一定角度的纳米棒阵列照片，b)内米棒阵列的横截面照片；图2钯溶胶的XRD图谱(溶胶浓度为2mg/mL)；图3微通道内表面上的Pd/ZnO纳米棒阵列(溶胶浓度为2mg/mL，包覆时间Ih)的场发射扫描电镜照片；图4微通道内表面上的Pd/ZnO纳米棒阵列(溶胶浓度为lmg/mL，包覆时间2h)的场发射扫描电镜照片；图5微通道内表面上的Pd/ZnO纳米棒阵列(溶胶浓度为3mg/mL，包覆时间3h)的场发射扫描电镜照片；图6微通道内表面上的Pd/ZnO纳米棒阵列(溶胶浓度为3mg/mL，包覆时间3h)的EDS能谱图；图7微通道内表面上的Pd/ZnO纳米棒阵列(溶胶浓度为5mg/mL，包覆时间4h)的场发射扫描电镜照片。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例I配制洗液I (浓硫酸、双氧水和蒸馏水的体积比4 : I : 20)和洗液II (氨水、双氧水和蒸懼水的体积比为I : 4 : 20)。在室温下,将微通道浸泡于洗液I中30min,去离子水冲洗后，再将微通道浸泡于洗液II中浸泡30min，去离子水冲洗后，烘干备用。将二水合醋酸锌乙醇溶液(0. 01M)和氢氧化钠乙醇溶液(0. 04M)同时以25 ii L/min的速度，输送到预先置于60°C烘箱中的微通道中，注满微通道后停止输送，反应2h后升温至70°C，再反应2h，升温至150°C退火2h，用去离子水清洗微通道，并在150°C下烘干在微通道内表面上得到ZnO晶种层薄膜。90°C下，将六水合硝酸锌溶液(0. 05M)和六亚甲基四胺溶液(0. 05M)各以25 ii L/min的速度同时连续输送至已生长ZnO晶种的微通道中2h，停止输送溶液，去离子水清洗微通道并在150°C下烘干，在微通道内表面上得到垂直生长的ZnO纳米棒阵列。配制浓度为0. lg/mL氯化钯的盐酸溶液，体积比为2 3的乙醇与水混合溶液；取ImL的钯盐的酸溶液，用去离子水稀释至15mL，加入0. 0075g PVP ;80°C下搅拌，并以16mL/h的速度向其中勻速滴加乙醇与水的混合溶液Ih,得到深褐色的2mg/mL、pH = 4的Pd单质溶胶；将上述Pd单质溶胶连续注入置于70°C烘箱中的长有ZnO纳米棒的微通道lh，在100°C的真空烘箱中干燥lh，在微通道内表面上得到垂直生长的Pd/ZnO纳米棒阵列。图I为本实施例得到的微通道内表面上的ZnO纳米棒阵列的场发射扫描电镜照片，可以看出ZnO纳米棒阵列垂直生长在微通道内表面上(图Ib)，且分布均匀(图la)。图2为制备得到的钯溶胶的XRD图谱。图3为本实例得到的微通道内表面上垂直生长的Pd/ZnO纳米棒阵列的场发射扫描电镜照片，纳米棒阵列表面包覆的纳米钯颗粒分布很均匀。实施例2配制洗液I (浓硫酸、双氧水和蒸馏水的体积比4 : I : 20)和洗液II (氨水、双氧水和蒸懼水的体积比为I : 4 : 20)。在室温下,将微通道浸泡于洗液I中20min,去离子水冲洗后，再将微通道浸泡于洗液II中浸泡20min，去离子水冲洗后，烘干备用；将二水合醋酸锌乙醇溶液(0. 01M)和氢氧化钠乙醇溶液(0. 04M)同时以25 ii L/min的速度，输送到预先置于60°C烘箱中的微通道中，注满微通道后停止输送，反应2h后升温至70°C，再反应2h，升温至150°C退火2h，用去离子水清洗微通道，并在150°C下烘干，在微通道内表面上得到ZnO晶种层薄膜；90°C下将六水合硝酸锌溶液(0. 05M)和六亚甲基四胺溶液(0. 05M)以25 ii L/min的速度同时输送至已生长ZnO晶种的微通道中，反应2h，停止输送溶液，去离子水清洗微通道并在150°C下烘干，在微通道内表面上得到垂直生长的ZnO纳米棒阵列。
配制浓度为0.05g/mL氯化钯的盐酸溶液，体积比为I : 2的乙醇与水混合溶液；取0. 5mL的钯盐的酸溶液，用去离子水稀释至10mL，加入0. Olg PVP ;70°C下搅拌，并以15mL/h的速度向其中匀速滴加乙醇与水的混合溶液2h，得到深褐色的lmg/mL、pH = 5的Pd
单质溶胶。将上述Pd单质溶胶连续注入置于75°C烘箱中的长有ZnO纳米棒的微通道2h，在110°c的真空烘箱中干燥2h，在微通道内表面上得到垂直生长的Pd/ZnO纳米棒阵列。图4为本实例得到的微通道内表面上垂直生长的Pd/ZnO纳米棒阵列的场发射扫描电镜照片。实施例3配制洗液I (浓硫酸、双氧水和蒸馏水的体积比4 : I : 20)和洗液II (氨水、双氧水和蒸馏水的体积比为I : 4 : 20)。在室温下，将微通道浸泡于洗液I中40min，去离子水冲洗后，再将微通道浸泡于洗液II中浸泡40min，去离子水冲洗后，烘干备用。将二水合醋酸锌乙醇溶液(0. 01M)和氢氧化钠乙醇溶液(0. 04M)同时以25 ii L/min的速度，输送到预先置于60°C烘箱中的微通道中，注满微通道后停止输送，反应2h后升温至70°C，再反应2h，升温至150°C退火2h。用去离子水清洗微通道，并在150°C下烘干，在微通道内表面上得到ZnO晶种层薄膜。90°C下，将六水合硝酸锌溶液(0. 05M)和六亚甲基四胺溶液(0. 05M)以25 ii L/min的速度同时输送至已生长ZnO晶种的微通道中，反应2h，停止输送溶液，去离子水清洗微通道并在150°C下烘干，在微通道内表面上得到垂直生长的ZnO纳米棒阵列。配制浓度为0. 15g/mL氯化钯的盐酸溶液，体积比为I : 3的乙醇与水混合溶液；取2mL的钯盐的酸溶液，用去离子水稀释至12mL，加入0. 5g PVP ;75°C下搅拌，并以17mL/h的速度向其中匀速滴加乙醇与水的混合溶液lh，得到深褐色的3mg/mL、pH = 6的Pd单质溶胶。将上述Pd单质溶胶连续注入置于80°C烘箱中的长有ZnO纳米棒的微通道3h，在130°C的真空烘箱中干燥3h，在微通道内表面上得到垂直生长的Pd/ZnO纳米棒阵列。图5为本实例得到的微通道内表面上垂直生长的Pd/ZnO纳米棒阵列的场发射扫描电镜照片，与纯的ZnO纳米棒相比，Pd单质包覆的纳米棒表面变得非常粗糙。图6为本实例得到的微通道内表面上垂直生长的Pd/ZnO纳米棒阵列的EDS能谱图，从图中可以看到微通道内壁确实存在钯元素，再配合前面得到的钯溶胶的XRD图，则可以确定ZnO纳米棒表面确实包覆上了 Pd金属单质。实施例4配制洗液I (浓硫酸、双氧水和蒸馏水的体积比4 : I : 20)和洗液II (氨水、双氧水和蒸懼水的体积比为I : 4 : 20)。在室温下,将微通道浸泡于洗液I中30min,去离子水冲洗后，再将微通道浸泡于洗液II中浸泡30min，去离子水冲洗后，烘干备用。将二水合醋酸锌乙醇溶液(0. 01M)和氢氧化钠乙醇溶液(0. 04M)同时以25 ii L/min的速度，输送到预先置于60°C烘箱中的微通道中，注满微通道后停止输送，反应2h后升温至70°C，再反应2h，升温至150°C退火2h。用去离子水清洗微通道，并在150°C下烘干，在微通道内表面上得到ZnO晶种层薄膜。90°C下，将六水合硝酸锌 溶液(0. 05M)和六亚甲基四胺溶液(0. 05M)以25 ii L/min的速度同时输送至已生长ZnO晶种的微通道中，反应2h，停止输送溶液，去离子水清洗微通道并在150°C下烘干，在微通道内表面上得到垂直生长的ZnO纳米棒阵列。
配制浓度为0. 25g/mL醋酸钯的盐酸溶液，体积比为I : 4的乙二醇与水混合溶液；取3mL的钯盐的酸溶液，用去离子水稀释至15mL，加入0. 4g PVP ;90°C下搅拌，并以18mL/h的速度向其中匀速滴加乙二醇与水的混合溶液4h，得到深褐色的5mg/mL、pH = 7的Pd单质溶胶。将上述Pd单质溶胶连续注入置于90°C烘箱中的长有ZnO纳米棒的微通道4h，在150°C的真空烘箱中干燥4h，在微通道内表面上得到垂直生长的Pd/ZnO纳米棒阵列。图7为本实例得到的微通道内表面上垂直生长的Pd/ZnO纳米棒阵列的场发射扫 描电镜照片，与纯的ZnO纳米棒相比，纳米棒表面变得粗糙且直径也明显变大且原来ZnO纳米棒之间的空隙大大变小。
权利要求
1.一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法，包括(1)在室温下，依次将玻璃毛细管微通道浸泡于酸洗液和碱洗液中酸洗、碱洗各20 40min，最后用去离子水冲洗，烘干，得到清洗后的微通道；60°C下，将浓度为0. OlM的二水合醋酸锌乙醇溶液和浓度为0. 04M氢氧化钠的乙醇溶液，同时各以25 y L/min的速度注满上述清洗后的微通道，先60°C保温2h，再70°C保温此， 然后将升温至150°C退火2h，在微通道内表面上得到ZnO晶种层薄膜；最后，在90°C下，将0.05M的硝酸锌水溶液和0. 05M的六亚甲基四胺水溶液同时各以25 u L/min的速度连续通入内表面上长有ZnO晶种层薄膜的微通道2h，清洗后在150°C下烘干，得到在微通道内表面上垂直生长的ZnO纳米棒阵列；(2)配制浓度为0.005 0. 5g/mL钯盐的酸溶液，体积比为I : I I : 5的醇与水的混合溶液；取0. 5 3mL的钯盐的酸溶液，用去离子水稀释至10 15mL，并向其中加入0.005 Ig PVP ；70 90°C下搅拌，再以10 18mL/h的速度匀速滴加醇与水的混合溶液 I 4h,得到Pd单质溶胶；(3)于70 90°C下将上述Pd单质溶胶连续输送到步骤(I)得到的内表面上垂直生长的ZnO纳米棒阵列的微通道中进行包覆,输入时间为I 4h ;最后于100 150°C烘干，即得。
2.根据权利要求I所述的一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法，其特征在于 所述步骤(I)中的酸洗液为浓硫酸、双氧水和蒸馏水的混合液，其中浓硫酸、双氧水和蒸馏水的体积比4 : I : 20。
3.根据权利要求I所述的一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法，其特征在于 所述步骤(I)中的碱洗液为氨水、双氧水和蒸馏水的混合液，其中氨水、双氧水和蒸馏水的体积比为I : 4 : 20。
4.根据权利要求I所述的一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法，其特征在于 所述步骤(2)的钯盐的酸溶液中钯盐为氯化钯或醋酸钯，酸为盐酸。
5.根据权利要求I所述的一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法，其特征在于 所述步骤(2)中的醇为甲醇、乙醇或乙二醇。
6.根据权利要求I所述的一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法，其特征在于 所述步骤⑵中得到的Pd单质溶胶的浓度为0. I 10mg/mL。
7.根据权利要求I所述的一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法，其特征在于 所述步骤⑵中得到的Pd单质溶胶的pH值为3. 8 7。
8.根据权利要求I所述的一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法，其特征在于 所述步骤⑵中得到的Pd单质溶胶的pH值为4. 5 6。
全文摘要
本发明涉及一种Pd单质包覆ZnO纳米棒阵列的制备方法，包括(1)清洗玻璃毛细管微通道；将二水合醋酸锌乙醇溶液和氢氧化钠的乙醇溶液同时注满上述清洗后的微通道，在微通道内表面上得到ZnO晶种层薄膜；将硝酸锌水溶液和六亚甲基四胺水溶液同时通入内表面上长有ZnO晶种层薄膜的微通道，得到在微通道内表面上垂直生长的ZnO纳米棒阵列；(2)用去离子水稀释钯盐的酸溶液，加入PVP，再匀速滴加醇与水的混合溶液，得到Pd单质溶胶；(3)将上述Pd单质溶胶输送到步骤(1)得到的内表面上垂直生长的ZnO纳米棒阵列的微通道中进行包覆，最后烘干，即可。本方法过程简单、耗费小，得到的Pd/ZnO纳米棒阵列比表面积大。
文档编号B01J19/00GK102614873SQ20121006256
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者张权, 张青红, 李耀刚, 王宏志 申请人:东华大学