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纳米金刚石的改性在催化反应中的应用研究取得进展

日期:2016年1月22日 13:55

  在传统工业催化领域中,金属基催化材料占据主导地位,但是其不可再生性以及对环境的污染性是金属材料潜在的弱点。如何开发出具有可替代性的绿色能源催化剂是近些年来研究的热点与重点。纳米金刚石是一类sp3杂化的非金属碳材料,通过简单控制煅烧温度(900~1500℃),可得到巴基型纳米金刚石(sp2/sp3 杂化)和洋葱碳(sp2)两种延伸性碳材料。纳米金刚石表面含有一定量的sp2 杂化碳,这一独特的sp2/sp3结构使得纳米金刚石及其衍生物有着比传统碳材料更独特的物理化学性质。

  中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室催化材料研究部研究员苏党生及其团队将其应用到催化领域中,发现在一些重要的工业催化反应中表现出可比拟传统金属催化剂的优异性能。例如洋葱碳在液相酚类选择性氧化制醌类反应中表现出优异的催化活性与稳定性。近期他们又相继发现对这三类材料进行杂原子(包括N、B、P等)调控可以有效改变其电子结构和化学性质,优化自身结构,并进一步提高催化反应的性能和扩大非金属催化剂的应用范围。研究表明硼酸盐与磷酸盐改性的巴基型纳米金刚石在气相丙烷氧化脱氢反应中杂原子基团通过覆盖结构缺陷位,抑制亲电氧物种的形成从而提高目标产物丙烯的选择性。此外,硼、氮以及磷改性的洋葱碳作为非金属催化剂甚至在电催化氧还原反应中表现出比商业Pt/C更好的抗甲醇性与稳定性。不仅如此,利用巴基型纳米金刚石独特的核壳结构在固定Pd纳米颗粒以及在提高CO催化氧化反应中同样起到重要的作用。不同于sp2杂化的碳材料,sp3杂化的碳材料在催化应用中尚属于开始阶段,催化材料研究部的相关工作属于国际领先,得到很多国际同行的关注,相关工作已发表在:ACS Catalysis 5(2015) 5921、ACS Catalysis 5(2015) 2436、Chemical Communications 51(2015) 9145、Chemical Communications 51(2015) 13086、Journal of Materials Chemistry A 3(2015) 21805、Journal of Materials Chemistry A 3(2015) DOI: 10.1039/C5TA09539E、ChemSusChem 8(2015) 2872、ChemCatChem 7(2015) 2840、Angewandte Chemie International Edition (2015) DOI: 10.1002/anie.201507821。该工作已申请专利一项,专利号:201510154630.9。

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