微化工技术——微反应器中Co2-和氧化石墨烯（GO）合成钴石墨烯（CorGO）复合材料催化对硝基苯酚还原为对氨基苯酚案例

Co2+和氧化石墨烯（GO）合成钴/石墨烯（Co/rGO）复合材料催化对硝基苯酚还原为对氨基苯酚

分类关键词：基础研究、微反应、催化剂合成、氯化钴、氧化石墨烯、钴/石墨烯复合材料、对硝基苯酚、对氨基苯酚

背景介绍

当微反应器用于合成纳米/微米材料时，它们可以提供均匀的成核和良好的生长环境，这是获得窄粒度分布和良好再现性的先决条件。金属/石墨烯复合材料在传感、电化学和多相催化等领域有着广泛的应用。由于石墨烯的杂化碳原子以蜂窝状方式排列而成，因此它可以作为金属纳米粒子的良好载体。制备的金属/石墨烯复合材料保持了石墨烯的独特性质，包括大的比表面积和高的电子热导率。更重要的是，金属纳米粒子在石墨烯上的沉积可以有效抑制它们的聚集，赋予石墨烯新的光学、电化学和催化性能。

图1.反应方程式

传统工艺分析

微反应技术

图2.实验装置示意图

图2显示了在自制的毛细管微反应器中连续合成Co/rGO复合材料的实验装置。将CoCl2溶液和GO悬浮液加入到去离子水中来制备溶液A，超声波处理20 min后，获得均匀的悬浮液；将NaBH4加入置于冰水浴中的去离子水中来制备制备溶液B。在连续合成过程中，在注射器周围放置两个冰袋。将溶液A、溶液B和辛烷通过注射泵打入浸入40℃的水浴中的毛细管微反应器。用NaBH4将对硝基苯酚还原为对氨基苯酚作为模型反应来评价合成的Co/rGO复合材料的催化性能。

技术优势

本研究采用单级微流控的方法，在还原氧化石墨烯上连续合成钴纳米粒子，制备钴/氧化石墨烯复合材料。合成的Co/rGO纳米复合材料中钴纳米粒子的平均尺寸在2.0-2.4 nm之间，小于通过水浴法合成的Co/rGO纳米复合材料中钴纳米粒子的平均尺寸。Co/rGO纳米粒子复合材料中钴纳米粒子的平均粒径与钴负载量和硼氢化钠浓度无关，硼氢化钠浓度显著影响氧化还原程度。此外，与钴纳米粒子和rGO纳米粒子相比，由于Co纳米粒子和rGO纳米粒子的协同作用，制备的Co/rGO纳米粒子复合材料在还原对硝基苯酚为对氨基苯酚表现出优异的活性。本实验结果进一步证实了微流控方法在金属/氧化石墨烯复合材料合成中的优势。

结论

Co2+和GO与NaBH4共还原，NaBH4被限制在由辛烷分割成连续相的离散水塞内。钴纳米粒子在不使用任何表面活性剂的情况下均匀分布在氧化石墨烯片上。与钴纳米粒子和石墨烯纳米粒子相比，由于钴纳米粒子和石墨烯纳米粒子之间的协同效应，所制备的Co/rGO纳米粒子复合材料具有更好的催化还原对硝基苯酚为对氨基苯酚的活性。作为一种有效的过程强化技术，微反应器可以更好地控制金属/石墨烯复合材料中金属纳米粒子的粒径和分散性。

参考文献：AIChE Journal. 2020(6).