东京工业大学：合成纯度高、比表面积大的钙钛矿氧化物纳米粒子

本文991字，阅读约需3分钟

摘   要：研究小组通过使用二羧酸扩展溶胶-凝胶法，并在大气中处理通过在水中使原料反应而获得的前体，合成了高纯度的钙钛矿氧化物纳米粒子，制备的SrTiO3纳米粒子的比表面积约为一次加工材料的1.5倍，比购买的产品大10倍以上。

关键词：钙钛矿氧化物、纳米粒子、催化剂、有机化合物合成、比表面积

日本东京工业大学于2023年5月2日宣布，合成了纯度高、比表面积大的钙钛矿氧化物纳米粒子，其将有助于各种有用的有机化合物的高效合成。

钙钛矿氧化物被广泛用作使有害气体成分无害化的催化剂，但迄今为止很少被用于在液体中合成高附加值化合物的反应——其主要原因之一是比表面积小。

通过使用多步合成法代替现有的固相法，可以合成比表面积大的材料。然而，除了步骤复杂之外，材料的纯度低也是一大问题。因此，亟需一种能够简便地合成比表面积大的钙钛矿氧化物的方法。

东京工业大学的研究小组通过使用自主研发的二羧酸扩展溶胶-凝胶法，并在大气中处理通过在水中使原料反应而获得的前体，合成了高纯度的钙钛矿氧化物纳米粒子。图片显示了钛酸锶（SrTiO₃）纳米粒子催化剂的合成和催化反应。

此外，通过在处理前体时将气氛从氮气改为空气（二次加工），成功实现了进一步的微粉化。本次制备的SrTiO₃纳米粒子的比表面积约为一次加工材料的1.5倍，比购买的产品大10倍以上。

研究还证实，新开发的合成法可适用于钛（Ti）、铌（Nb）和锆（Zr）等各种钙钛矿的合成。

接着，使用该催化剂合成了用作昂贵化合物的起始原料的氰醇。通常情况下，由于吸附在材料表面的水分或二氧化碳会阻碍反应进程，因此使用前需要对催化剂进行热处理。但本次合成的SrTiO₃纳米粒子无需热处理即可进行反应。

研究还发现，经过二次加工的SrTiO₃纳米粒子不仅易于回收再利用，还可以一次合成2g以上的氰醇。

(a)催化剂在氰醇合成中的性能比较

(b)其应用

在经过二次加工的SrTiO₃纳米粒子中分别加入两种添加剂使其反应时发现，无论添加哪种添加剂，催化性能均有所下降。据称，添加剂作用于材料表面上的活性位点（酸性位点和碱性位点），导致反应受到了阻碍。

二次加工过的SrTiO₃纳米粒子的大表面上存在两种类型的活性位点，这表明它们通过协同作用表现出高催化性能。

(a)添加剂对催化剂性能的影响

(b)钛酸锶催化剂表面的图像

该方法有望应用于液体中的有机合成反应。通过使高价有机化合物易于合成，有望降低功能性材料和医药品的合成成本，减轻环境负荷。

此外，由于SrTiO₃纳米粒子在材料表面存在两种类型的活性位点，因此可以通过协同作用将其应用于高难度反应。

将能够很容易地结合各种不同金属的钙钛矿氧化物的特点与该方法结合，有望提高催化性能并应用于其他反应。

此外，通过应用于钙钛矿氧化物以外的各种复合氧化物的合成，有望合成高附加值的有机化合物。

（1）获取原文