氮掺杂有序介孔碳负载超小尺寸铂纳米颗粒催化硝基苯类化合物选择加氢

氮掺杂有序介孔碳材料不仅具有高的比表面积、大的孔容和均一可调的孔径等优点,其骨架中丰富的氮原子还可以对材料的物理化学性质、配位金属电荷密度等进行调控,是一类优异的催化剂载体.本文利用软模板(嵌段共聚物F127为模板),以间氨基苯酚为碳源和氮前体,制备出较高含氮量(9.58 wt%)和比表面积(417 m2/g),以及规则孔径分布的介孔碳材料.结果表明,制备的材料具有三维立方相结构.以该碳材料作为载体,使用传统浸渍氢气还原的策略负载纳米铂颗粒.发现氮掺杂的载体能够有效控制金属纳米颗粒的尺寸,可实现超小尺寸Pt纳米颗粒的有效负载(1.0±0.5 nm),且纳米颗粒均匀分布于介孔碳材料的孔道中.相比而言,使用相同负载方法的情况下,以不掺氮的介孔碳材料为载体,纳米粒子的尺寸较难控制(4.4±1.7 nm)且会发生孔道外颗粒聚集的情况.研究表明,骨架中的氮原子与金属间弱的相互作用对纳米粒子有稳定作用.这对制备超小尺寸的金属纳米粒子催化剂具有一定的指导意义.此外,由于纳米粒子的尺寸将大大影响催化剂活性中心的暴露程度,进而影响催化剂活性.因此,我们以硝基苯类化合物的氢化反应来评价该催化剂的催化性能.在室温和1 MPa H2的温和条件下,氮掺杂的介孔碳负载催化剂表现出了优异的催化性能.反应0.5 h,对氯硝基苯可完全转化,且选择性高达99%.相比而言,商业化的Pt/C催化剂上反应的转化率和选择性分别为89%和90%.其它传统催化剂的比较,如Pt/SiO2,Pt/TiO2,同样表明,氮掺杂介孔碳负载的催化剂具有更优异的催化性能.在相同反应条件下,Pt/SiO2催化剂只能得到46%的转化率和93%的选择性,而Pt/TiO2催化剂虽然能够实现完全转化,但选择性也仅为91%.由此可见,氮掺杂的负载催化剂可大大提高反应活性和选择性,能有效抑制脱氯现象的发生.这种高的催化性能可能与催化剂的介孔结构、氮功能化载体以及超小尺寸的Pt纳米粒子的稳定有关.由于氮原子和介孔孔道的限域作用,氮掺杂介孔碳负载的催化剂也具有良好的催化稳定性,循环使用10次后,催化活性和选择性几乎没有下降.结果表明,循环使用后的催化剂金属粒子尺寸变化不大,进一步表明氮掺杂介孔碳载体对金属纳米颗粒的稳定作用.     

温和条件下钌/氮掺杂碳纳米笼的苯乙酮选择性催化加氢性能

共轭羰基化合物的羰基选择性加氢反应被广泛用于制备重要的药物和化学中间体.利用氮掺杂碳纳米笼（hNCNC）大的比表面积和掺杂氮原子的锚定作用,构建了10 wt% Ru负载量的Ru/hNCNC催化剂,尺寸约2.4 nm的Ru纳米颗粒高度均匀地分散在hNCNC表面.用于催化苯乙酮选择性加氢制1-苯乙醇,在50.0℃、2.0 MPa H₂的温和条件下,展现出优异的催化加氢性能：反应2.0 h后的苯乙酮转化率和1-苯乙醇选择性分别达到96.2%和95.8%,远优于未掺杂碳纳米笼（hCNC）和活性炭负载的Ru催化剂;循环使用6次后,其苯乙酮转化率仅略有下降（从96.2%到94.0%）,明显优于Ru/hCNC.Ru/hNCNC的优异催化性能可归因于：hNCNC大的比表面积和掺杂氮原子的锚定作用有利于Ru纳米粒子的分散和固载、独特的微孔-介孔-大孔共存的分级孔结构有利于传质、掺杂氮原子有效调变了Ru催化剂的电子结构.     

氮掺杂碳材料负载Pd纳米催化剂在有机反应中的最新研究进展

氮掺杂碳材料负载Pd纳米催化剂因其具有反应活性高、反应完成后便于分离和重复使用等优点,在催化领域引起了极为广泛的关注.简要综述了基于氮掺杂多孔/介孔碳NC、氮掺杂石墨烯NG、氮掺杂碳纳米管NCNT和氮掺杂碳纳米片NCNS等不同类型碳材料载体制备的负载型Pd纳米催化剂的合成与应用的最新研究进展,同时对氮掺杂碳材料负载Pd纳米催化剂的发展方向进行了展望.     

分级结构氮掺杂碳纳米笼担载的铂基高效甲醇氧化电催化剂

高性能低成本的担载型铂基催化剂是直接甲醇燃料电池(DMFC)实用化过程中的一大挑战.利用高比表面积、高稳定性、容易负载金属的载体实现 Pt颗粒的高度分散,既可提高催化剂的催化性能,又可提高 Pt的利用率以降低成本,是担载型 Pt基催化剂实用化的有效途径.碳材料是一种常用的催化剂载体,近年来我们课题组发展了一种高性能的碳纳米笼材料,并可通过异原子掺杂调变其表面性能,提高其活性和负载能力.我们采用原位氧化镁模板法制备氮掺杂碳纳米笼：以具有多级结构的碱式碳酸镁作为氧化镁模板的前体,吡啶为碳源和氮源,经高温热解沉积,在原位形成的氧化镁模板表面形成氮掺杂的石墨化碳纳米薄层;经稀盐酸浸泡并洗涤,获得高纯度的氮掺杂碳纳米笼.氮掺杂碳纳米笼具有分等级的微纳米结构、高导电性、高比表面积和可调变的孔结构,结合表面氮原子的锚钉作用,氮掺杂碳纳米笼有望成为电化学催化剂 Pt的优良载体.
　　在前期研究基础上,本文探索多级结构氮掺杂碳纳米笼(hNCNC)作为新型载体负载 Pt的能力,并评价所构建的负载型催化剂 Pt/hNCNC的电催化性能.通过简便的微波辅助多元醇还原法,将氯铂酸还原成 Pt纳米粒子负载于 hNCNC的表面.为了揭示氮掺杂的效应,我们对比研究了具有相似分级结构但无掺杂的碳纳米笼(hCNC)以及商业化活性炭(Val-can XC-72)作为载体的情况.经热重(TG)和 X射线光电子能谱(XPS)分析,三种催化剂 Pt/hNCNC、Pt/hCNC和 Pt/XC-72的负载量均接近理论负载量(23.1 wt%),都主要以金属态存在.然而,扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)结果表明, Pt/hNCNC的 Pt分散状态优于 Pt/hCNC,更远优于 Pt/XC-72. Pt/hNCNC的平均 Pt粒径最小,仅约3.3 nm.这种良好的分散状态主要得益于氮原子掺杂,高负电性的氮原子改变了局域的表面极性,有利于 Pt颗粒的成核,也有利于固定 Pt颗粒.
　　由于 hNCNC对 Pt的优异分散能力, Pt/hNCNC表现出高的电化学活性面积.氢吸附和一氧化碳溶出伏安曲线表明, Pt/hNCNC的电化学活性面积高于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72,这与显微观察和 X射线衍射(XRD)结果相吻合. Pt/hNCNC展现出优异的甲醇电催化氧化活性和高稳定性,其催化电流明显高于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72,电流衰减亦慢于 Pt/hCNC和 Pt/XC-72. hNCNC的分级微纳米结构有利于孔内传质和电子输运,从而提高反应速度. hNCNC的氮掺杂有利于 Pt在载体表面的分散,增强了载体-金属相互作用,提高了电化学活性面积和催化活性.为了进一步考察 hNCNC对 Pt的负载能力,本文还考察了高负载量 Pt/hNCNC的性能.在负载量高达60 wt%时, Pt/hNCNC中的 Pt颗粒仍无明显聚集,其甲醇氧化电流增加了30%,可以有效提高 DMFC的输出电流密度.
　　综上可见, hNCNC可以有效分散并稳定 Pt颗粒,从而提高电化学活性面积和甲醇电催化氧化活性,优于未掺杂的碳纳米笼和传统碳材料,展示了 hNCNC高分散 Pt颗粒用作 DMFC的高效阳极催化剂的重要前景,也表明 hNCNC有望成为应用广泛的新型载体.     

分级结构氮掺杂碳纳米笼担载的铂基高效甲醇氧化电催化剂（英文）

高性能低成本的担载型铂基催化剂是直接甲醇燃料电池(DMFC)实用化过程中的一大挑战.利用高比表面积、高稳定性、容易负载金属的载体实现Pt颗粒的高度分散,既可提高催化剂的催化性能,又可提高Pt的利用率以降低成本,是担载型Pt基催化剂实用化的有效途径.碳材料是一种常用的催化剂载体,近年来我们课题组发展了一种高性能的碳纳米笼材料,并可通过异原子掺杂调变其表面性能,提高其活性和负载能力.我们采用原位氧化镁模板法制备氮掺杂碳纳米笼:以具有多级结构的碱式碳酸镁作为氧化镁模板的前体,吡啶为碳源和氮源,经高温热解沉积,在原位形成的氧化镁模板表面形成氮掺杂的石墨化碳纳米薄层;经稀盐酸浸泡并洗涤,获得高纯度的氮掺杂碳纳米笼.氮掺杂碳纳米笼具有分等级的微纳米结构、高导电性、高比表面积和可调变的孔结构,结合表面氮原子的锚钉作用,氮掺杂碳纳米笼有望成为电化学催化剂Pt的优良载体.在前期研究基础上,本文探索多级结构氮掺杂碳纳米笼(hNCNC)作为新型载体负载Pt的能力,并评价所构建的负载型催化剂Pt/hNCNC的电催化性能.通过简便的微波辅助多元醇还原法,将氯铂酸还原成Pt纳米粒子负载于hNCNC的表面.为了揭示氮掺杂的效应,我们对比研究了具有相似分级结构但无掺杂的碳纳米笼(hCNC)以及商业化活性炭(Valcan XC-72)作为载体的情况.经热重(TG)和X射线光电子能谱(XPS)分析,三种催化剂Pt/hNCNC、Pt/h CNC和Pt/XC-72的负载量均接近理论负载量(23.1 wt%),都主要以金属态存在.然而,扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)结果表明,Pt/hNCNC的Pt分散状态优于Pt/h CNC,更远优于Pt/XC-72.Pt/hNCNC的平均Pt粒径最小,仅约3.3 nm.这种良好的分散状态主要得益于氮原子掺杂,高负电性的氮原子改变了局域的表面极性,有利于Pt颗粒的成核,也有利于固定Pt颗粒.由于hNCNC对Pt的优异分散能力,Pt/hNCNC表现出高的电化学活性面积.氢吸附和一氧化碳溶出伏安曲线表明,Pt/hNCNC的电化学活性面积高于Pt/h CNC和Pt/XC-72,这与显微观察和X射线衍射(XRD)结果相吻合.Pt/hNCNC展现出优异的甲醇电催化氧化活性和高稳定性,其催化电流明显高于Pt/h CNC和Pt/XC-72,电流衰减亦慢于Pt/h CNC和Pt/XC-72.hNCNC的分级微纳米结构有利于孔内传质和电子输运,从而提高反应速度.hNCNC的氮掺杂有利于Pt在载体表面的分散,增强了载体-金属相互作用,提高了电化学活性面积和催化活性.为了进一步考察hNCNC对Pt的负载能力,本文还考察了高负载量Pt/hNCNC的性能.在负载量高达60 wt%时,Pt/hNCNC中的Pt颗粒仍无明显聚集,其甲醇氧化电流增加了30%,可以有效提高DMFC的输出电流密度.综上可见,hNCNC可以有效分散并稳定Pt颗粒,从而提高电化学活性面积和甲醇电催化氧化活性,优于未掺杂的碳纳米笼和传统碳材料,展示了hNCNC高分散Pt颗粒用作DMFC的高效阳极催化剂的重要前景,也表明hNCNC有望成为应用广泛的新型载体.     

氮掺杂多级孔碳负载钴纳米颗粒促进糠醛催化转移加氢

将钴金属纳米粒子负载在具有高比表面积的氮掺杂多级孔碳(Co/HNPC)上,并用于糠醛(FF)的催化转移加氢反应。实验结果表明,Co/HNPC在120℃、4 h的温和条件下,获得了97.6%的FF转化率和95.3%的糠醇(FOL)选择性。优异的催化性能主要取决于金属与HNPC载体之间的协同作用,以及金属本身的负载量。此外,由于HNPC载体的高比表面积和氮掺杂,Co/HNPC催化剂的稳定性也得到了提高。     

尺寸可控、高热稳定性有序介孔碳Au催化剂的合成

纳米Au催化剂被认为是具有商业价值的用于醇选择氧化的第二代催化剂.这是因为Au氧化还原电势高,化学稳定性好,可抑制易使Pt族元素中毒的胺等的毒化;其次,对于一些特定选择氧化和还原反应而言,具有较优的反应选择性.目前较多的研究集中在调变Au纳米颗粒与氧化物载体的相互作用,获得协同效应.例如,利用CeO2纳米晶为载体,沉积Au纳米颗粒(约3 nm),使CeO2部分还原为非计量比的催化材料,活化氧并获得高选择氧化性能.碳是相对惰性的载体,与Au相互作用力弱,因此可被用于研究Au纳米颗粒本征催化性能.但负载碳金催化剂在焙烧甚至还原过程中易团聚,且在反应中易流失,可能导致活性下降.利用胶体沉积法可获得介孔碳担载纳米Au催化剂,对葡萄糖选择氧化具有很高的催化活性和选择性.但是,制备中使用的保护剂残留经常被忽略.由于立体效应或电子结构调变作用,保护剂可能影响Au催化剂活性或稳定性.我们前期建立了反应单体参与的自组装技术合成功能化介孔碳路线,一步在介孔碳骨架中掺杂氧化物纳米催化剂.本文从介孔催化材料的结构出发,设计“镶嵌”在碳骨架中的纳米Au颗粒.采用配位作用辅助表面活性剂自组装技术,以苯酚和甲醛为碳前体,引入含巯基硅烷偶联剂,通过配位作用稳定金离子,获得尺寸可控介孔碳限域纳米Au催化剂.低温炭化中,由于巯基-金的配位作用阻抑金属移动或团聚,高温下聚合物炭化为相对刚性的碳骨架.此时,Au纳米颗粒被相邻介孔孔墙限制.硅烷偶联剂可除去,不影响碳载体,并可产生丰富二级孔道,获得多级孔道介孔碳材料.X射线衍射和透射电镜结果显示,所合成的催化剂中Au颗粒的尺寸可控,为3-18nm,且具有单分散性,均匀地分散在整个介孔碳骨架中,其含量为1.1-9.0 wt％.金碳催化剂具有有序的二维六方介孔结构.能量散射谱(EDX)也证明了催化剂只含有C,O和Au元素,没有S和Si元素的残留.X射线光电子能谱(XPS)结果显示催化剂表面的Au含量远远低于ICP的测试结果,也证明了Au纳米颗粒分布在介孔碳骨架内,同时只含有C,O和Au元素也与EDX相符.X射线近边吸收谱结果表明,随着颗粒尺寸的减小,Au表面电子性质发生改变.N2吸脱附等温线显示,有序介孔碳金催化剂具有典型的第Ⅳ型曲线,说明孔径分布范围较窄,主孔道尺寸为3.4-5.7 nm.值得注意的是,低压力段吸附量显示明显突跃,暗示其具有一套约为2 nm的次级介孔.所有的催化剂都具有高的比表面积(1269-1743 m2/g)和大的孔体积(0.79-1.38 cm3/g).Au纳米颗粒具有高的热稳定性,在惰性气氛中,即使在600℃也未见明显聚集长大.进一步讨论了合成中影响金纳米颗粒尺寸的重要影响因素.(1)巯基含量:通过调节巯基组分的含量,可以调控催化剂中Au纳米颗粒的尺寸(9-18 nm).需要强调的是,Au纳米颗粒尺寸与巯基在新合成材料中的浓度有关,当巯基含量在所研究的范围中时(1.55-3.06 mmol/g),Au纳米颗粒尺寸仅仅与巯基浓度有关,而与Au浓度无关.(2)硫酸预炭化处理:新合成的材料经过一步硫酸预炭化处理,可以得到尺寸为3 nm的有序介孔碳金催化剂.表征结果证明,经过硫酸预碳化处理,大量表面活性剂被除去,同时聚合物载体发生部分碳化,有助于在后续高温炭化中保护3 nm金颗粒不团聚.尺寸可控、高热稳定性、无配体保护的有序介孔碳负载Au催化剂有望应用在催化和传感器等领域.     

尺寸可控、高热稳定性有序介孔碳Au催化剂的合成（英文）

纳米Au催化剂被认为是具有商业价值的用于醇选择氧化的第二代催化剂.这是因为Au氧化还原电势高,化学稳定性好,可抑制易使Pt族元素中毒的胺等的毒化;其次,对于一些特定选择氧化和还原反应而言,具有较优的反应选择性.目前较多的研究集中在调变Au纳米颗粒与氧化物载体的相互作用,获得协同效应.例如,利用CeO_2纳米晶为载体,沉积Au纳米颗粒(约3 nm),使CeO_2部分还原为非计量比的催化材料,活化氧并获得高选择氧化性能.碳是相对惰性的载体,与Au相互作用力弱,因此可被用于研究Au纳米颗粒本征催化性能.但负载碳金催化剂在焙烧甚至还原过程中易团聚,且在反应中易流失,可能导致活性下降.利用胶体沉积法可获得介孔碳担载纳米Au催化剂,对葡萄糖选择氧化具有很高的催化活性和选择性.但是,制备中使用的保护剂残留经常被忽略.由于立体效应或电子结构调变作用,保护剂可能影响Au催化剂活性或稳定性.我们前期建立了反应单体参与的自组装技术合成功能化介孔碳路线,一步在介孔碳骨架中掺杂氧化物纳米催化剂.本文从介孔催化材料的结构出发,设计"镶嵌"在碳骨架中的纳米Au颗粒.采用配位作用辅助表面活性剂自组装技术,以苯酚和甲醛为碳前体,引入含巯基硅烷偶联剂,通过配位作用稳定金离子,获得尺寸可控介孔碳限域纳米Au催化剂.低温炭化中,由于巯基-金的配位作用阻抑金属移动或团聚,高温下聚合物炭化为相对刚性的碳骨架.此时,Au纳米颗粒被相邻介孔孔墙限制.硅烷偶联剂可除去,不影响碳载体,并可产生丰富二级孔道,获得多级孔道介孔碳材料.X射线衍射和透射电镜结果显示,所合成的催化剂中Au颗粒的尺寸可控,为3-18nm,且具有单分散性,均匀地分散在整个介孔碳骨架中,其含量为1.1-9.0wt%.金碳催化剂具有有序的二维六方介孔结构.能量散射谱(EDX)也证明了催化剂只含有C,O和Au元素,没有S和Si元素的残留.X射线光电子能谱(XPS)结果显示催化剂表面的Au含量远远低于ICP的测试结果,也证明了Au纳米颗粒分布在介孔碳骨架内,同时只含有C,O和Au元素也与EDX相符.X射线近边吸收谱结果表明,随着颗粒尺寸的减小,Au表面电子性质发生改变,N_2吸脱附等温线显示,有序介孔碳金催化剂具有典型的第Ⅳ型曲线,说明孔径分布范围较窄,主孔道尺寸为3.4-5.7nm.值得注意的是,低压力段吸附量显示明显突跃,暗示其具有一套约为2 nm的次级介孔.所有的催化剂都具有高的比表面积(1269-1743m~2/g)和大的孔体积(0.79-1.38cm~3/g).Au纳米颗粒具有高的热稳定性,在惰性气氛中,即使在600℃也未见明显聚集长大.进一步讨论了合成中影响金纳米颗粒尺寸的重要影响因素.(1)巯基含量:通过调节巯基组分的含量,可以调控催化剂中Au纳米颗粒的尺寸(9-18nm).需要强调的是,Au纳米颗粒尺寸与巯基在新合成材料中的浓度有关,当巯基含量在所研究的范围中时(1.55-3.06mmol/g),Au纳米颗粒尺寸仅仅与巯基浓度有关,而与Au浓度无关.(2)硫酸预炭化处理:新合成的材料经过一步硫酸预炭化处理,可以得到尺寸为3 nm的有序介孔碳金催化剂.表征结果证明,经过硫酸预碳化处理,大量表面活性剂被除去,同时聚合物载体发生部分碳化,有助于在后续高温炭化中保护3nm金颗粒不团聚.尺寸可控、高热稳定性、无配体保护的有序介孔碳负载Au催化剂有望应用在催化和传感器等领域.     

电催化剂纳米碳基载体的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因具有工作温度低、结构紧凑、无腐蚀、启动快和灵活性好等优点,受到人们广泛关注.但其工作时动力学迟缓且易受CO毒化影响,往往需要负载Pt等贵金属催化剂,导致PEMFCs的成本高昂,阻碍了其商业化应用.为提高Pt贵金属的利用率,通常将Pt负载在载体材料上来提高Pt的分散性以减少Pt颗粒集聚,因此,合适的载体材料对于降低PEMFCs成本具有极大意义.纳米碳材料由于具有高稳定性、可控的孔结构、可变的物理形态、可修饰的表面化学以及低成本等特点,是一种理想的催化剂载体材料,已被广泛应用于PEMFCs电催化剂中.本文综述了PEMFCs电催化剂的纳米碳基载体的最新研究进展,重点讨论了纳米碳的纳米结构和表面物理化学性质对电催化剂性能的影响,主要从孔结构、杂原子掺杂以及功能性碳基载体方面对其进行概述.在孔结构方面,纳米碳载体的孔形貌和孔径大小能够显著地影响PEMFCs电催化剂的催化性能.相比于无序孔,有序孔能够减小反应物分子的传质阻力,可使反应物分子更好地与载体孔道内的催化活性位点结合,增加Pt催化剂的可及性,从而提高反应活性.合适的孔径不仅能够使纳米碳载体具有足够的传质通道,还能提供充足的用于电催化反应的高比表面积,从而增加电催化剂的催化性能.在杂原子掺杂方面,向纳米碳载体中掺入氮、硫和磷等杂原子能够稳定碳载体结构,并增加载体表面与金属纳米粒子之间的结合位点,提高金属纳米颗粒的分散性,通过金属-载体之间的相互作用和协同作用提升电催化剂性能.在功能性碳载体方面,通过对纳米碳载体进行有针对性地改性得到具有特定功能的碳化物载体,改性后的功能性碳化物载体能够通过加速CO反应中间体氧化以增加电催化剂的抗CO毒化能力,并能够通过降低燃料电池腐蚀电流的方式提升电催化剂的耐久性.本文讨论了纳米碳载体的最新进展,指出PEMFC电催化剂载体的未来发展方向,为PEMFC催化剂的未来研究和设计提供参考意见,为推动PEMFC的市场化提供帮助.     

Pt/MIL-101(Cr)在肉桂醛选择性加氢反应中的催化性能

采用简单易行的浸渍法将Pt纳米粒子负载到MIL-101(Cr)上,制备了Pt/MIL-101(Cr)催化剂,并对其在肉桂醛选择性加氢反应的催化性能进行了研究。XRD、N₂吸附、TEM和催化性能的研究结果表明,Pt的负载量对负载于MIL-101(Cr)上Pt纳米粒子的尺寸及所制备催化剂对肉桂醇的选择性有很大影响。低Pt负载量(1.0%)的Pt/MIL-101(Cr)较其他MOFs和无机材料在肉桂醛选择性加氢反应中表现出了高的催化性能,在优化的反应条件下肉桂醛转化率和对肉桂醇的选择性可分别达96.5%和86.2%。Pt/MIL-101(Cr)催化剂具有良好的稳定性。Pt/MIL-101(Cr)所表现出的优良的催化性能同MIL-101(Cr)载体的孔道结构及其表面性质密切相关。     

Pt/MIL-101(Cr)在肉桂醛选择性加氢反应中的催化性能

采用简单易行的浸渍法将Pt纳米粒子负载到MIL-101(Cr)上, 制备了Pt/MIL-101(Cr)催化剂, 并对其在肉桂醛选择性加氢反应的催化性能进行了研究。XRD、N₂吸附、TEM和催化性能的研究结果表明, Pt的负载量对负载于MIL-101(Cr)上Pt纳米粒子的尺寸及所制备催化剂对肉桂醇的选择性有很大影响。低Pt负载量(1.0wt%)的Pt/MIL-101(Cr)较其他MOFs和无机材料在肉桂醛选择性加氢反应中表现出了高的催化性能, 在优化的反应条件下肉桂醛转化率和对肉桂醇的选择性可分别达96.5%和86.2%。Pt/MIL-101(Cr)催化剂具有良好的稳定性。Pt/MIL-101(Cr)所表现出的优良的催化性能同MIL-101(Cr)载体的孔道结构及其表面性质密切相关。     

介观结构氮掺杂碳纳米笼负载铂-钌合金催化剂的优异甲醇电氧化性能

利用氮掺杂碳纳米笼（hNCNC）的高比表面积及掺杂氮原子的锚定作用,方便地将约3 nm的Pt-Ru合金纳米粒子均匀地负载在hNCNC表面,制得了Pt和Ru比例可调的Pt-Ru/hNCNC双金属合金催化剂.这些催化剂展现出优异的甲醇催化氧化活性和稳定性,且具有良好的抗CO中毒能力,显著优于Pt/hNCNC和商业PtRu/C等对照组催化剂.其优异的电化学性能可归因于以下因素的协同作用：（1） Pt-Ru合金的双功能机制增强了催化剂的CO氧化脱附能力从而使活性位重新暴露,（2） hNCNC的氮掺杂及高比表面积有利于获得粒径小且均匀的合金纳米粒子,（3） hNCNC的多尺度分级孔结构有利于甲醇等参与反应物质的传输.     

氮掺杂碳纳米笼固载钌纳米粒子的费托合成性能

费托合成可以将来源广泛的合成气转化为低碳烯烃和燃油等高附加值化学品, 是后石油时代的重要化工过程, 而发展高性能的催化剂是该工程产业化的关键. 以具有高比表面积和高氮含量的氮掺杂碳纳米笼(NCNC)为载体, 采用等体积浸渍法制备了Ru的质量分数为20%的Ru/NCNC催化剂, 所得Ru纳米颗粒均匀分散, 相比于未掺杂碳纳米笼负载的Ru催化剂(Ru/CNC), Ru纳米粒子尺寸更小且分布更集中. Ru/NCNC催化剂展现出优异的费托合成催化性能, 在0.5 MPa和220 ℃的温和条件下, 具有高的催化活性、高的C₅₊选择性(55.7%)、低的CH₄选择性(13.5%)和高的催化稳定性(60 h, CO转化率保持在≈33%), 显著优于Ru/CNC. 这可归因于N掺杂提高了Ru活性中心的数量和电子态密度以及表面碱性, 增强了金属-载体相互作用, 进而提高Ru/NCNC的催化活性、长链产物(C₅₊)选择性、抗烧结能力和催化稳定性. 本研究提供了一条通过掺杂碳载体设计提升费托合成催化剂性能的有效策略.     

高比表面积等级孔γ-Al2O3的金属醇酯一步水解法制备及性能

采用金属醇酯一步水解法, 在不同含水有机溶剂反应介质中在常温条件下制备了具有特殊形貌及等级孔道结构的超高比表面积γ-Al₂O₃材料. X射线衍射(XRD)、 N₂吸附-脱附、 扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等表征结果证明, 通过调节反应介质中水含量和溶剂类型可以精确控制仲丁醇铝的水解缩合反应过程和副产物醇分子的扩散行为, 进而优化产物的孔道结构. 研究结果表明, 在水/乙腈体系下制备的γ-Al₂O₃材料整体呈现出由大孔直孔道和三维介孔孔道构成的等级孔道结构, 且随着水含量的增加, 大孔孔壁依次出现光滑状、 片状和褶皱状的特定形貌; 在饱和水的丁醇溶液体系下制备的材料则展现出由厚度约为10 nm的片状γ-Al₂O₃堆积而成的三维介孔结构, 比表面积高达517 m ²/g. 选取水含量为3 mL的水/乙腈体系下的大孔-介孔γ-Al₂O₃材料作为载体制备负载型Pt基催化剂. 负载后载体等级孔结构基本保持完好, 金属Pt纳米颗粒均匀分散在载体上, 该催化剂在渣油脱金属催化反应中的脱金属性能比商用薄水铝石为载体制备Pt基催化剂更加优异. 脱Ni率和脱V率分别提高11.62%和10.83%.     

一步液滴法合成酸性和孔道属性可调的硅铝酸盐载体及其Pd基催化剂的性能研究

通过一步液滴法在不同的反应溶剂体系下制备了一系列无定形硅铝酸盐载体, 并进一步制备出Pd基负载型多孔催化材料, 探究了反应溶剂极性和反应物Si/Al比对载体材料和催化剂的影响, 实现了通过一步液滴法调控硅铝酸盐酸性和孔道属性. 结果表明, 在极性较小的反应溶剂体系中制得了富含介孔的无定形硅铝酸盐载体材料, 并且通过改变Si/Al比可实现载体材料的酸性、 比表面积及孔道尺寸的调控, 比表面积和总酸量分别达到349.6 m²/g和1.389 mmol/g. 由于该载体材料高的比表面积及丰富的介孔孔道, 所制得的Pd基负载型多孔催化材料的Pd金属分散性达到了63.17%, 在硝基苯加氢反应中实现了99.75%的转化率和94.62%的选择性, 在苯甲醇氧化反应中表现出40.61%的转化率及38.09%的选择性, 远远优于利用商用载体合成的 Pd/Al₂O₃催化材料. 这种简单有效的合成方法使得按照目标催化反应的类型来设计高效催化剂成为可能.     

Pt纳米颗粒结合ZIF-67衍生的PtCo-NC催化剂用于醇类燃料电氧化（英文）

在本工作中,通过在氮气保护下热解Pt纳米颗粒结合的ZIF-67制备了由ZIF-67原位产生的氮掺杂碳负载Pt Co合金纳米颗粒组成的Pt Co-NC复合催化剂。通过X射线衍射,扫描电子显微镜,透射电子显微镜等物理表征手段研究了催化剂的结构和形貌,并测试了该催化剂对醇类燃料甲醇和乙醇氧化的电化学性能。与参比样Pt/C相比,Pt Co-NC催化剂的电催化活性与稳定性均得到了极大的提高,其优异的催化性能可以归因于抗一氧化碳中毒能力的提升和原位形成的Pt Co纳米颗粒和氮掺杂载体间的协同作用。     

介孔碳纳米纤维为载体的铂催化剂的制备及电化学性质

本文利用介孔碳的软模板合成方法和阳极氧化铝膜的孔道限域性制备有序的介孔碳纳米纤维。然后以介孔碳纳米纤维作载体,采用温和的非共价方法和乙二醇还原法负载铂纳米粒子来制备铂催化剂。实验结果表明,温和的功能化方法有利于载体介孔结构的保持和铂纳米粒子的分散,并且还原反应条件对铂纳米粒子的负载具有重要影响。最后通过循环伏安法研究了铂催化剂的电化学性质,结果表明这些铂催化剂具有良好的甲醇电催化活性和稳定性。     

基于氮掺杂多孔炭的加氢催化剂的理性设计

选择性加氢反应是化学化工领域中最具挑战性的反应之一.针对选择性加氢反应来设计具有工业应用价值的负载型纳米催化剂一直是学术界和工业界的研究热点与难点.载体是负载型催化剂的重要组成部分,在不同类型的载体中,炭载体因其来源广、成本低、耐酸碱、具有高比表面积而被广泛采用.但是,由于炭材料本身相对惰性,炭与负载的金属之间相互作用较弱;此外,碳前驱体的种类甚至产地对炭载体性能影响也非常大,导致催化剂活性及稳定性难以满足工业要求,从而严重限制了炭负载型催化剂的发展.近年来,氮掺杂炭由于其独特的性质受到了广泛的关注,大量的研究证实氮原子的掺入有助于提高炭负载型纳米催化剂的催化效率.本文将重点关注氮掺杂多孔炭负载型催化剂在选择性加氢反应中的应用;最后,将讨论并展望如何基于氮掺杂炭理性设计新型负载型纳米金属催化剂.氮掺杂炭材料中的氮主要可分为石墨氮、吡啶氮、吡咯氮和氨基氮.氮的引入一方面可改变炭材料的局域电子密度,引发电子在载体与活性组分之间的重新分配,电子转移的方向和程度可通过氮掺杂形式(如吡啶型或石墨型氮等)及浓度进行调节,从而实现对活性组分电子结构的调控;另一方面,提供了孤对电子用于形成氢键网络,从而调节了催化剂的亲水性,改善了催化剂在反应体系中的分散性.而且丰富的氮物种可为活性组分提供了稳定的锚定位点,从而提高了活性组分在炭载体上的分散度和稳定性.此外,部分氮物种为催化剂提供了碱性位点,可作为固体碱参与反应,丰富了氮掺杂炭负载型催化剂的应用范围.本文将氮掺杂炭负载型催化剂分为以下四种类型:传统负载型、包覆型、镶嵌型以及单原子催化剂.传统负载型催化剂即以氮掺杂炭材料为载体,采用浸渍法或液相还原法等将活性组分负载其上,该类型催化剂已经被广泛研究和使用.对于包覆型和镶嵌型催化剂,其金属和载体间的相互作用要强于传统炭负载型催化剂,这种强相互作用可有效提升催化剂稳定性,更能使某些高活性亚稳相稳定存在,进而大幅增强催化性能.但是炭层的过度包覆会导致暴露的金属活性位点减少,进而影响催化剂的性能.最近,炭负载型单原子催化剂得到迅速发展,它有着独特的配位环境和微观结构,众多单原子催化剂(如镍、钌、金等)已在选择性加氢反应中展现出优异的催化性能,且在某些反应中表现出独特的选择性.最后,本文讨论了氮掺杂炭负载型加氢催化剂未来的发展方向.原始生物质是氮掺杂炭的理想原料,且制备过程应尽量避免模板剂的使用.丰富氮掺杂炭材料的形貌和微观结构,以应对不同的反应需求是今后的重点发展方向.贵金属催化剂拥有优异的催化性能,如何提升其稳定性是急需解决的问题.非贵金属催化剂的活性相对较低,多组分协同催化是提升其性能的有效方法,进一步的工业应用也值得期待.不含金属的氮掺杂炭直接催化加氢反应需要极为苛刻的反应条件,其工业应用前景相对较低.     

Pt/Co_3O_4/3DOM Al_2O_3:甲苯燃烧的高效催化剂（英文）

与硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳以及悬浮颗粒一样,大部分挥发性有机物(VOCs)污染大气环境.控制VOCs排放有多种方法,其中催化氧化法是一种有效技术,关键在于获得高效催化剂.近年来,负载过渡金属和贵金属催化剂因具有比单纯负载贵金属和单纯负载过渡金属氧化物更好的催化性能而备受关注.在负载贵金属催化剂中,高比表面积载体负载Pt,Pd或Rh催化剂得到广泛而深入的研究,尽管这些催化剂成本较高,但是其对VOCs氧化反应显示了很高的低温催化活性.众所周知,催化活性取决于贵金属和VOCs的种类,不同负载贵金属催化剂对特定反应会表现出不同的催化活性.负载Pt催化剂对长链碳氢化合物和芳香族化合物氧化反应表现出更高的活性.相对于负载贵金属催化剂,负载过渡金属氧化物催化剂不仅具有良好的氧化活性,而且价格低廉.迄今已发现许多过渡金属氧化物(如Co_3O_4,Cr_2O_3和MnO_2等)对典型VOCs氧化反应具有催化活性,其中Co_3O_4的催化活性尤为突出.研究表明,Co_3O_4的性质和分散度是决定其性能的关键因素,制备方法、载体性质和过渡金属氧化物负载量对Co_3O_4的物化性质具有重要影响,而且在负载Pt催化剂中添加金属氧化物能改善其催化性能.尽管多孔氧化铝是一种常用的载体材料,但目前尚无文献报道三维有序大孔-介孔氧化铝负载Co_3O_4和Pt纳米粒子催化剂的制备及其对甲苯氧化反应的催化性能.本文采用聚甲基丙烯酸甲酯微球胶晶模板法、等体积浸渍法和聚乙烯醇保护的硼氢化钠还原法制备了三维有序大孔-介孔(3DOM Al_2O_3)负载Co_3O_4和Pt(xP t/yCo_3O_4/3DOM Al_2O_3,Pt的质量分数(x%)为0-1.4%,Co_3O_4的质量分数(y%)为0-9.2%)纳米催化剂.通过电感耦合等离子体原子发射光谱、X射线衍射、氮气吸附-脱附、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、选区电子衍射、X射线光电子能谱及氢气程序升温还原等技术表征了催化剂的物化性质,利用固定床微型石英反应器评价了催化剂对甲苯氧化反应的催化活性.结果表明,xP t/yC o3O4/3DOM Al_2O_3催化剂具有多级孔结构(大孔孔径为180–200 nm,介孔孔径为4–6 nm),比表面积为94-102 m2/g.粒径为18.3 nm的Co_3O_4纳米粒子和粒径为2.3-2.5 nm的Pt纳米粒子均匀分散在3DOM Al_2O_3表面.在xP t/y Co_3O_4/3DOM Al_2O_3催化剂中,1.3Pt/8.9Co_3O_4/3DOM Al_2O_3拥有最高的Oads浓度、最好的低温还原性和最高的甲苯氧化反应催化活性(当空速为20000 mL g~(-1) h~(-1)时,甲苯转化率达90%的反应温度为160 oC).基于催化剂的活性数据和结构表征,我们认为,1.3Pt/8.9Co_3O_4/3DOM Al_2O_3优异的催化性能与其高分散的Pt纳米粒子、高的Oads浓度、好的低温还原性、Pt和Co_3O_4纳米粒子间的强相互作用以及多级孔结构相关.     

金催化剂上脂肪族硝基化合物与醛在氢气中选择还原耦合（英文）

采用TiO_2上高度分散的金纳米粒子做催化剂,从脂肪族硝基化合物、醛和氢气可高选择性合成硝酮.与碳负载Pt催化剂相比,该催化体系上硝酮的选择性从50%增加到90%.其催化性能可有活性位结构、载体特性和反应条件精确调节.