碳化聚合物点的核壳结构与功能

碳化聚合物点作为一类新型的荧光碳纳米点,其高量子产率、独特的碳核和聚合物壳的杂化结构和功能在近些年引起了广泛关注.本文通过系统总结、分析相关文献,揭示了碳化聚合物点不仅具有碳点的典型性质,也具有聚合物的性质.强调了碳化聚合物点的聚合-碳化的本质,并详细讨论了碳化聚合物点的结构特点、制备方法方面的普适性和规律性以及光致发光的机制.最后,基于碳化聚合物点的结构和性能调控,综述了其在传感、光电器件、催化和生物医学等不同领域的应用,并对碳化聚合物点的发展前景进行了展望.     

碳化聚合物点的核壳结构与功能

碳化聚合物点作为一类新型的荧光碳纳米点，其高量子产率、独特的碳核和聚合物壳的杂化结构和功能在近些年引起了广泛关注.本文通过系统总结、分析相关文献，揭示了碳化聚合物点不仅具有碳点的典型性质，也具有聚合物的性质.强调了碳化聚合物点的聚合-碳化的本质，并详细讨论了碳化聚合物点的结构特点、制备方法方面的普适性和规律性以及光致发光的机制.最后，基于碳化聚合物点的结构和性能调控，综述了其在传感、光电器件、催化和生物医学等不同领域的应用，并对碳化聚合物点的发展前景进行了展望.     

碳点的设计合成、结构调控及应用

碳点是一类环境友好且性能独特的纳米粒子, 在光电转换、 生物医学、 催化及储能等领域的研究日益活跃. 碳点主要分为碳量子点(CQDs)、 石墨烯量子点(GQDs)和碳化聚合物点(CPDs), 其中CPDs作为一种新型碳点, 具有合成原料广泛、 碳化程度及共轭结构可调且材料相容性好等优点. 本文综合评述了近年来碳点尤其是CPDs的合成方法; 阐述了通过选择前驱体分子、 控制反应条件及掺杂原子等手段实现对其碳化和共轭程度、 晶格和能级结构的调控, 从而建立碳点及其杂化与复合材料微纳结构与性能之间的关系; 最后, 介绍了碳点在生物标记与成像、 光(电)催化、 光电转换及储能等领域的应用, 并对碳点领域的发展前景进行了展望.     

通过熔体自由基反应调控聚丙烯体系的链结构和相结构

熔融反应加工是聚合物改性和制备聚合物纳米复合材料的重要途径之一.在此过程中,多数加成聚合物由于受到热、剪切或引发剂作用,通常可原位形成大分子自由基反应中间体.我们系统地研究了如何利用这类大分子自由基调控聚合物分子链的拓扑结构和聚合物纳米复合体系的相结构与界面.然而,某些聚合物大分子自由基,如聚丙烯(PP),受其分子链化学结构决定,在熔融反应条件下非常易于发生降解.研究发现,将可控自由基聚合中调控自由基反应活性的方法应用在熔融反应过程中可以显著抑制PP的降解,促进主反应的发生,在制备长链支化聚合物、调控聚合物纳米复合材料的相结构方面发挥了重要作用.本文介绍了本研究组近几年来通过熔体自由基反应调控PP体系的链结构和相结构的相关研究工作,如实现PP的长链支化,制备高熔体强度PP;在制备PP/C60 、PP/碳纳米管(CNTs)纳米复合材料过程中,利用熔体界面区域所发生的自由基反应,提高了纳米粒子与PP的界面相互作用,改善了纳米粒子在PP中的分散状态等.     

多孔碳材料的研究进展

多孔碳材料具有高的比表面积、可调控的物理化学性质、价廉易得等优点,在能源存储和转换、催化、吸附分离等领域展现出了巨大的应用前景.多孔碳材料的制备方法和前驱体的选择直接决定了其性能及使用范围.聚合物结构丰富,通过碳化不同结构的聚合物制备多孔碳材料是目前多孔碳材料的研究热点之一.本文详细综述了目前多孔碳材料的主要制备方法以及聚合物作为碳前驱体,其结构与多孔碳材料结构与性能之间的构效关系.最后,对多孔碳材料的未来发展方向做了进一步的展望.     

水滑石基催化剂催化合成碳纳米材料的研究进展

碳纳米材料是一类推动能源存储、 多相催化、 高性能复合和生物医药等领域发展的重要材料, 可控合成碳纳米材料对相关领域的发展具有重要意义. 水滑石(LDHs)材料具有层板金属种类及含量可调等特点, 经焙烧、 还原后可制备出金属种类、 密度和粒径分布各异的高分散、 高稳定金属纳米催化剂, 可实现高效催化生长各种类型的碳纳米材料. 此外, 通过调控反应条件和反应器等, 可以影响LDHs基金属纳米催化剂催化生长的碳纳米材料的结构和性能. 本文总结了LDHs基金属纳米催化剂的可控制备、 碳纳米材料结构调控以及利用LDHs基催化剂制备的碳纳米材料的应用等方面的研究工作, 并阐明了催化剂的可控制备是控制合成碳纳米材料的核心手段, 这为利用LDHs基催化剂进一步合成更高性能碳纳米材料的研究指明了方向. 此外, 本文还结合近些年在光、 电及光热催化方面的研究进展, 展望了基于新型LDHs纳米结构生长碳纳米材料的研究前景.     

金属有机骨架高温自还原制备高性能等级孔碳负载Co基催化剂

以钴基金属有机框架为前驱体, 利用一步高温碳化自还原法, 通过精确调控碳化过程, 实现等级孔道结构及钴纳米颗粒分散性的可控调节, 制备出高催化活性及产物选择性的等级孔碳负载Co基催化剂. 研究发现, 600 ℃碳化后的催化剂为具有高比表面积的等级孔道结构和高分散的钴纳米颗粒, 在选择性催化1,3-丁二烯加氢反应中, 丁二烯完全转化温度低至60 ℃, 对应丁烯的选择性高达61%, 实现了低温高选择性催化加氢.     

生物质基双功能氮掺杂多孔碳在对硝基苯酚还原和苯乙烯氧化中的应用（英文）

大多数催化过程需以金属甚至贵金属作为活性位点,尽管金属基催化剂在很多情况下可以展现出较好的催化性能,但其实际应用受到价格较高、储量有限、组分流失和金属位点烧结等因素的限制.在非金属催化剂中,碳材料由于具有来源丰富、稳定性好以及可调控性强等特点而得到了广泛应用.研究表明,将具有供电子或吸电子特征的异质原子如氮、硼、硫和磷等掺入碳结构中是一种可行的策略,可通过电子结构调控产生缺陷来提高催化性能.其中,氮原子与碳原子的原子半径相近,可有效改善碳的化学惰性,是一种理想的掺杂原子.基于这些认识,各类氮掺杂碳材料,如碳纳米管、碳纳米球、石墨烯、介孔碳、碳纤维等已经被开发出来且显示出令人满意的催化效果.然而,传统氮掺杂碳材料的制备还存在反应条件苛刻、需要使用各类有毒试剂以及制备过程复杂等缺点.近年来,以廉价易得的生物质为原料,通过简单绿色方法合成氮掺杂碳材料,并进一步探索其在更多催化领域如有机催化中的应用得到了广泛关注.对硝基苯酚的催化还原反应和苯乙烯的催化氧化反应一般需要金属催化剂.其中,对硝基苯酚是化学工业中常见的难降解污染物,可对环境和人类健康造成严重威胁.在所有减轻其污染和危害的方法中,从环境和工业角度出发,将其催化还原成对氨基苯酚是最经济的方法.苯乙烯的氧化反应可用于生产各类高附加值化学品,例如环氧苯乙烷是合成增塑剂、香料和药品等的重要中间体.对于这两个反应,开发高效的生物质基碳氮掺杂碳材料作为非金属催化剂仍具有挑战性.本文以价廉易得的萝卜为原料,通过耦合氮掺杂、碳化和氢氧化钾活化过程,采用简单的一步法制备得到了一系列氮掺杂多孔碳(NKC),发现其在对硝基苯酚还原反应和苯乙烯氧化反应中均表现出良好的催化性能.NKC系列催化剂的比表面积、孔体积和N掺杂含量分别为918.9–3062.7 m~2 g~(-1), 1.01–2.04 cm~3 g~(-1)和1.29–15.3 at%.综合表征结果和催化反应结果发现,催化性能与结构参数并不直接相关,而是与催化剂中石墨化氮的含量呈正相关关系.在NKC系列催化剂中, NKC-3-800对于这两个反应的催化反应效果最佳,其催化效果可达到或超过已报道的金属甚至贵金属催化剂.此外,本文还计算了两个反应的各类动力学和热力学参数,并分析了可能的催化反应机理.本文不仅为生物质的高附加值利用提供了新的思路,而且为廉价和丰富的生物质基碳催化剂在有机反应中的进一步应用开辟了更多的可能性.     

电化学方法调控荧光碳点的研究

作为零维碳基发光纳米材料,碳点是对现有发光纳米材料的重要补充. 精准控制粒径及表面结构对实现碳点的性质调控及其应用至关重要. 本文介绍了本课题组在利用电化学方法研究荧光碳点方面的进展. 重点展示了利用电化学方法实现对碳点粒径的控制,对表面氧化程度的调节以及对其发光机理的研究. 电化学方法可对只有几纳米厚度的材料表面进行有效的控制,可操作性强且经济环保. 通过对碳点的粒径及表面的调控,作者也进一步揭示了碳点的发光与表面结构的相关性. 这些工作为碳点的合成及其性质调控提供了可循的规律,有利于推动碳点在生物医生成像、传感检测、催化及能源转化等领域的应用.     

磺化碳材料固载Fe^2＋催化甲基橙降解反应

以葡萄糖为原料制备的磺化碳材料作为Fenton反应过程中固体酸及载体,研究了磺化碳材料结构对Fe2+的负载能力及其对甲基橙降解反应的催化性能. 结果表明,直接加热法制备的磺化碳材料呈致密块状结构,对Fe2+几乎没有负载能力; 而水热法制备的磺化碳材料呈相互交联的纳米粒子,室温下对甲基橙表现出较好的降解性能(甲基橙降解率可达79%以上). 反应过程中溶液的pH=2.4～3.2, 在碳材料中引入 - SO3H基实现了固体酸代替液体酸的目的.     

高分子聚合物基碳纳米膜的电催化降解污水性能及机理

目前的电催化高级氧化技术普遍使用平板电极,因为传质受阻在降解污染物方面具有降解不彻底的缺点,限制了其在电催化降解污染物的应用.多孔碳纳米膜作为一种新型电极,因其较大的比表面积,提供较多反应活性位点,可以有效地改善传质效率,从而克服此传统技术的缺点,在近年来得到广泛应用.本文首先综述了使用高分子聚合物制备碳纳米膜的方法,主要包括静电纺丝技术(EST)、化学气相沉积法(CVD)和模板法,分别介绍了每种技术的原理和操作方法,并展示每种方法的实际应用的实例.其中静电纺丝技术具有可以制备取向碳纳米纤维并有助于碳纳米纤维改性的优点.其次总结了碳膜电催化降解含抗生素、染料分子和其他有机物的污水的研究进展,对不同条件下电催化降解有机物的效果进行综述,大部分研究均通过在碳纳米膜上添加金属、金属氧化物和金属有机框架(MOF)来使电极的性能得到优化.最后阐述了电化学高级氧化的机理、电极效应及主要的检测自由基的方法,分别从直接氧化和间接氧化两个方面介绍了电化学高级氧化的机理,并通过公式进行具体论证;列举了电催化过程中可能产生的电极效应对有机物降解的影响;检测自由基的方法主要总结了淬灭法和探针法,并阐述了其原理...     

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.     

碳催化剂在催化反应中的应用

由于碳材料表面存在缺陷,可生成具有不同性能的活性位,因此可催化不同的热催化反应.我们首先介绍了单质碳材料的表面结构化学:其表面活性位主要为含杂原子官能团;然后对其可催化的反应进行了介绍:碳单质材料可催化选择性氧化反应、高级氧化反应、还原反应、烷烃活化反应、酸催化反应、电催化还原和氧化反应等.对碳单质催化剂的制备方法、所催化的各类反应、催化活性位、催化效果及催化机理也进行了简介.单纯的碳材料并不能完全满足不同反应的催化要求,可通过掺杂杂原子、焙烧、酸处理等手段对碳催化剂进行改性,使其具有不同的催化性能.相信随着对碳催化认识的不断加深,碳催化的应用范围会越来越广,在不远的未来将应用于工业化生产.     

高能量超声辅助制备负载型贵金属纳米催化材料

介绍了一种利用高能量超声作用制备负载型纳米催化材料的方法.通过高能量超声作用下发生的还原反应,使原位生成的贵金属或双金属纳米颗粒负载于各种载体的表面,制备了一系列石墨烯基-、碳纳米管基-、金属氧化物(二氧化铈、α-三氧化二铁、二氧化钛)基-负载型贵金属纳米催化材料,并利用光电子能谱、透射电子显微镜、元素分析、电子衍射等方法表征了材料的结构和形貌.结果表明:贵金属纳米颗粒在载体的表面均匀地分布,颗粒的尺寸较小,分布较窄;颗粒的尺寸可以通过金属在载体中的负载量、金属前驱体的浓度和超声强度容易地进行调控.这种方法为负载型贵金属纳米催化剂的制备提供了一种有效的途径.     

基于聚乙烯醇聚合物点制备荧光纳米复合材料

近年来, 由于聚合物点(PDs)具有良好的荧光性质和光收集能力, 受到了人们广泛的关注, 应用在生物成像和检测等领域. 然而, 目前报道的聚合物点大多数是指共轭聚合物经过组装、固定形成的, 因此聚合物点保持着形成之前的共轭聚合物的相关性质, 且具有更好的稳定性和进一步功能化的能力. 本文中我们研究的聚合物点是指从非共轭线性聚合物为原料而制备的聚合物点, 这类聚合物包括聚环氧乙烯, 多糖等. 聚合物点不仅包含使其具有荧光的碳化中心, 还具有外围的聚合物链结构. 因此, 可以拓展应用聚合物点的聚合物特性. 我们利用PDs的荧光中心和外围的聚合物链双功能性质, 详细研究了基于PDs制备功能性纳米复合材料体系. 首先, 我们原位制备了聚乙烯醇/PDs纳米复合膜材料(PDs是直接通过聚乙烯醇可控碳化而产生的). 复合材料不仅保持了PDs的荧光特性, 还保持了聚乙烯醇易加工的特性, 如可以制备成纳米复合膜材料, PDs含量可以根据需要调控: 0, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%. 纳米复合膜材料在不同激发光下具有多颜色发光性质. 进一步的, 我们验证了PDs水溶液可以和很多其他水溶性聚合物, 石墨烯量子点或半导体量子点实现共混, 从而制备双功能性纳米复合材料.     

碳化聚合物点：一种新型的单颗粒有机无机杂化体系

碳化聚合物点(CPDs)指通过自下而上法,经聚合、交联、碳化而形成的一种具有特殊的碳核和聚合物壳杂化结构.这种特殊的杂化结构赋予了CPDs独特的光学、电学等物理化学性质,作为一种新兴的零维碳纳米材料受到了广泛的研究关注.本文通过系统地总结与分析,强调了CPDs聚合-碳化的本质,把CPDs看作是一种新型的单颗粒有机无机杂化体系,并从CPDs的结构特点、制备、光电性质及其在光学和催化领域的应用4个角度总结了CPDs的研究进展.重点介绍了郑州大学碳点研究中心在CPDs的可控制备、发光机理、光学和催化领域的应用相关的研究工作,论述了CPDs未来发展所面临的问题与方向.     

负载型氮杂环卡宾钯络合物催化C—C偶联反应新进展

负载型氮杂环卡宾钯催化的C—C偶联反应由于具有反应活性高,催化剂便于分离和可重复使用等特点,已引起了人们的广泛关注.负载型氮杂环卡宾钯催化剂中的载体材料对催化性能和重复使用性能具有较大的影响.综述了不同类型载体材料制备的负载型氮杂环卡宾钯催化C—C偶联反应的研究进展,载体类型包括聚合物材料、硅材料、碳材料和磁性纳米粒子材料.此外,还对负载型氮杂环卡宾钯催化剂未来的发展前景进行了展望.     

编织超交联微孔聚合物的研究进展

超交联微孔聚合物因具有比表面积高、合成条件温和、单体来源广泛、催化剂廉价易得等优点而得到广泛关注。近年来,作为一种简单有效的新合成策略,外交联"编织"法成为制备超交联微孔聚合物主要方法之一。该方法可以从低官能度化合物制备得到高比表面积和孔径可调控的超交联聚合物,进一步扩大了构筑单体的选择范围,还可降低副产物的危害,为低成本大规模制备超交联聚合物材料提供了可能。本文对编织超交联聚合物的合成方法进行了总结,并对其在形貌控制中的应用、所得编织微孔聚合物的应用(气体储存和分离、催化、有毒物质吸附、药物控制释放、储能、色谱分离、传感以及碳材料前体等)进行了介绍,最后对外交联"编织"法所面临的问题和挑战、发展前景进行了展望。     

一步碳化多孔有机材料制备多孔碳及其性能的研究

开发并利用清洁的、可再生的能源是解决环境污染问题和能源短缺的有效方法.碳化含碳量较高的多孔有机材料制备的多孔碳,具有较高的比表面积,良好的物化稳定性,优良的机械性能等优点,在清洁能源的存储、分离、能量的存储与转化领域有广泛的应用.常见的由多孔有机材料制备多孔碳的方法主要是非活化碳化法和活化碳化法.不同的制备方法得到的多孔碳形貌,孔结构各不形同.多孔碳材料自身的结构性质可以影响其应用.合理的设计并调控多孔碳的“孔”,发挥孔尺寸的“筛分效应”可以有效地对气体进行存储和分离.在锂电等能量转化领域,“限域效应”是影响锂电性能的重要因素.多孔碳材料中较小的孔可以限域活性成分,而较大的孔可以快速传输,两种孔的协同效应可以使锂电性能大大提升.本综述系统地归纳了一步碳化多孔有机材料制备多孔碳的方法及其优势,详细地介绍了其在气体吸附、存储、分离以及电化学等领域的应用.最后,结合多孔碳材料的研究现状,提出由多孔有机材料制备多孔碳材料所面临的挑战,同时也展望了多孔碳材料的应用前景.     

碳点的制备及电化学能源应用进展

碳点是零维纳米碳材料的一种典型代表,由碳原子sp²/sp³杂化构成且尺寸通常小于10 nm.碳点独特的尺寸效应赋予其丰富的边缘活性位点和易于功能化调控等特性,在电催化、能源存储与转化等领域表现出广阔的应用前景.基于此,揭示碳点的形成机制及阐明其结构与性能的基本规律,以指导碳点的合成并获得优异的催化性能具有重要意义.本文在介绍碳点制备及调控策略的基础上,结合理论研究分析了碳点类催化材料活性的来源,并着重评述了碳点在电化学领域的最新应用进展,探讨了功能碳点材料未来发展的机遇与挑战.