金属、金属氧化物纳米晶催化剂:结构与催化性能关系研究(英文)

金属与金属氧化物纳米晶作为常见催化材料(催化剂、助催化剂或载体),在过去的几十年中引起了人们极大的关注。近年来,纳米催化领域,尤其是纳米晶催化剂的可控制备技术,虽然取得了许多重要的进展,然而,真正理解纳米晶催化剂三性(活性、选择性和稳定性)与其微观结构上的内在联系一直以来都是具有挑战性的科学难题。怎样理解催化反应过程中纳米晶催化剂的活性位点?什么是影响其催化性能的关键因素?如何理解纳米催化的物理化学本质,认识其规律性,提高纳米晶催化剂活性、选择性和稳定性均是纳米催化领域有待解决的重要科学问题。我们课题组针对这些问题和挑战开展了纳米催化研究工作。本文总结了近年来课题组所取得的研究成果。     

离子液体为溶剂和模板剂合成多级孔金属催化材料

正金属原子具有极强的配位能力,在催化领域有着广泛的应用~1。负载型金属催化材料兼具金属纳米颗粒和载体的双重性能,成为应用最广泛的非均相催化剂之一~2。然而,负载型催化剂活性组分多包覆于载体中,不利于与反应物直接接触,并且在反应过程中,活性组分容易从载体表面脱落。无载体金属催化剂可节约催化剂的生产时间     

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.     

单原子催化剂的制备、表征及催化性能

单原子催化剂(SACs)是指金属以单原子形式均匀分散在载体上形成的具有优异催化性能的催化剂.与传统载体型催化剂相比,SACs具有活性高、选择性好及贵金属利用率高等优点,在氧化反应、加氢反应、水煤气变换、光催化制氢以及电化学催化等领域都具有广泛应用,是目前催化领域的研究热点之一.常见的SACs制备方法有共沉淀法、浸渍法、置换反应法、原子层沉积法以及反奥斯瓦尔德熟化法等.实验及理论研究表明,单原子催化剂高的活性和选择性可归因于活性金属原子和载体之间的相互作用及由此引起的电子结构改变.载体是影响单原子催化剂性能的重要因素之一.目前常用的SACs载体有金属氧化物、二维材料和金属纳米团簇等,本文着重综述了这三种负载型SACs的制备、表征、催化性能及催化机理,并概述了SACs未来可能的发展方向和应用.研究表明,共沉淀法、湿浸渍法和反奥斯瓦尔德熟化法等方法可用来制备氧化物负载的SACs.高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)表明金属是以单原子形式均匀分散在载体上,近边X射线吸收精细结构(XANES)结果表明金属原子与载体之间存在着强相互作用.实验和理论研究均表明该类催化剂在CO氧化反应、水煤气转化及乙炔加氢生成乙烯等反应中具有高的催化活性和稳定性.采用化学气相沉积法和原子层沉积法等方法可以将金属原子稳定地负载在具有缺陷活性位点的石墨烯、MXene及六方氮化硼等二维材料上并相应制备出SACs.X射线吸收精细结构谱(EXAFS)和XANES分析表明样品中金属以单原子形式存在,而且金属原子与载体之间也存在着强相互作用,理论计算表明金属原子与二维载体之间的电荷转移是SACs活性高的主要原因.置换反应法和连续还原法是制备溶胶型SACs的有效方法,其中置换反应法可将活性金属原子原位组装在金属模板团簇的顶点位置,连续还原法可将活性原子负载于金属模板团簇的表面.DFT计算表明活性原子和金属模板团簇之间存在电荷转移效应,这是溶胶型SACs具有非常高的催化活性的主要原因.SACs下一步的研究方向可能是:(1)研究开发新型SACs,尽可能提高催化剂中活性金属原子的含量;(2)深入研究SACs的结构、活性以及催化机理之间的关系;(3)尝试将SACs大规模应用于工业催化.     

用于生物质水相加氢多相负载型金属催化剂的稳定策略

生物质是天然的可再生能源和资源,具有来源广泛、储量丰富、价格低廉的优点以及可转化为高附加值化学品的多功能性,因此作为传统化石能源替代材料受到广泛关注和研究.将生物质通过催化转化为平台化合物再进一步利用是生物质利用的重要途径,其中催化加氢是常用的反应之一.由于绝大多数生物质平台化合物分子中都含氧元素,其加氢过程中会不可避免的产生水,同时水作为绿色环保,价廉易得的溶剂,可以溶解绝大多数生物质平台化合物,因此选择水做溶剂具有重要意义.负载型纳米金属催化剂(如Au、Rh、Pt、Pd、Ru、Cu和Co等)在生物质水相加氢反应中具有广泛的应用,但其在水相反应条件下(通常为高温、高压、强酸性等苛刻条件)容易在反应过程中发生纳米金属粒子的团聚、流失以及载体的坍塌、结构转变等引起失活.因此,发展可以在水相体系中稳定的金属多相催化剂对生物质资源化利用非常必要.本文首先综述了溶剂水对反应的影响以及负载型金属催化剂在水相体系中的失活类型与机理,内容包括:(1)溶剂水对催化剂及催化加氢反应的积极作用,包含提高转化率和影响产物选择性;(2)溶剂水引起催化剂失活的原因,如引起金属纳米粒子发生团聚、氧化、流失以及载体发生溶解、坍塌、结构转变等.从负载型金属催化剂的失活机理入手,分别从提高金属纳米粒子的稳定性和载体的稳定性两个方向综述了提高负载型金属催化剂稳定性的普适性策略,内容包括:(1)通过界面限域策略增强金属-载体相互作用的方式提高金属纳米粒子在载体上的稳定性,包括有机基团配位、杂原子配位、镶嵌法等;(2)通过空间限域策略将金属纳米颗粒封装的方式提高金属纳米粒子的稳定性,包括利用一维的空心管状材料、二维的超薄材料以及三位的空心球(笼)材料等;(3)通过提高载体(主要为氧化物载体)的稳定性以提高催化剂整体稳定性,包括对载体进行修饰、包覆、杂化等方式.本工作所综述的提高生物质水相加氢金属催化剂稳定性的策略为高稳定性催化剂的设计指出了方向.     

聚合物负载金属纳米粒子型核壳结构催化剂的研究

核壳结构聚合物负载型催化剂因其载体材料独特的结构、形貌和性质而具有优异的催化活性,成为了催化化学领域研究的热点。本文综述了聚合物负载金属纳米粒子型核壳结构催化剂,包括球形聚合物刷负载金属纳米粒子、聚合物中空微球负载金属纳米粒子、聚合物实心微球表面包覆金属纳米粒子等类型催化剂的制备及其相应的催化性能,强调了各类载体的组成和结构特点对催化活性及其稳定性的影响。最后总结了该类催化材料的优势和不足,并对其性能和应用进行了展望。     

固体炭对一氧化氮低温催化解离还原反应的影响——Ⅰ.复合催化剂还原活性的考察

考察了担载在活性炭上的以铜、铁为主的复合催化剂对一氧化氮催化解离还原活性的影响,并通过TPR和XRD研究了不同金属组份配比和不同助剂(K、Na)对催化剂性能的影响。结果表明,通过选择不同催化剂配比和添加不同助剂,降低主催化剂在载体炭上的还原温度和提高主催化剂在载体炭上的分散度,将有利于提高催化剂对一氧化氮催化解离还原的活性。文中还采用电镜方法研究了不同组成复合催化剂的金属颗粒大小和Cu、Fe复合催化剂经反应后其表面的形貌结构,发现在这种炭载型复合催化剂上进行一氧化氮催化解离还原反应的过程中,有催化剂表面金属颗粒迁移、生成炭丝和金属颗粒在载体炭上打洞等迹象。     

炭材料负载金属催化剂催化硅氢加成反应进展

炭材料具有比表面积大、孔径可调、取材广泛等优点,以其为载体负载金属活性组分制备硅氢加成催化剂极具发展前景.我们详细总结了近20年不同炭材料如活性炭、石墨与石墨烯、碳纳米管、富勒烯、卡宾等在硅氢加成反应中负载金属催化剂的制备方法、催化性能以及可能的催化机理,并对有望应用到该反应的新型炭材料载体进行了对比与展望.认为未来硅氢加成炭负载型催化剂的研究可聚焦于(1)探寻新型双金属活性组分以进一步提高催化活性;(2)研发更具优势的金属配体,明晰配体与载体、配体与金属之间的相互作用关系以提高催化选择性与稳定性;(3)结合科学可靠的催化机理研究,以期研发出更符合可持续发展要求的炭负载型硅氢加成金属催化剂,可使硅氢加成反应基本实现原子经济性.     

单原子催化剂的制备、表征及催化性能（英文）

单原子催化剂(SACs)是指金属以单原子形式均匀分散在载体上形成的具有优异催化性能的催化剂.与传统载体型催化剂相比,SACs具有活性高、选择性好及贵金属利用率高等优点,在氧化反应、加氢反应、水煤气变换、光催化制氢以及电化学催化等领域都具有广泛应用,是目前催化领域的研究热点之一.常见的SACs制备方法有共沉淀法、浸渍法、置换反应法、原子层沉积法以及反奥斯瓦尔德熟化法等.实验及理论研究表明,单原子催化剂高的活性和选择性可归因于活性金属原子和载体之间的相互作用及由此引起的电子结构改变.载体是影响单原子催化剂性能的重要因素之一.目前常用的SACs载体有金属氧化物、二维材料和金属纳米团簇等,本文着重综述了这三种负载型SACs的制备、表征、催化性能及催化机理,并概述了SACs未来可能的发展方向和应用.研究表明,共沉淀法、湿浸渍法和反奥斯瓦尔德熟化法等方法可用来制备氧化物负载的SACs.高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)表明金属是以单原子形式均匀分散在载体上,近边X射线吸收精细结构(XANES)结果表明金属原子与载体之间存在着强相互作用.实验和理论研究均表明该类催化剂在CO氧化反应、水煤气转化及乙炔加氢生成乙烯等反应中具有高的催化活性和稳定性.采用化学气相沉积法和原子层沉积法等方法可以将金属原子稳定地负载在具有缺陷活性位点的石墨烯、MXene及六方氮化硼等二维材料上并相应制备出SACs.X射线吸收精细结构谱(EXAFS)和XANES分析表明样品中金属以单原子形式存在,而且金属原子与载体之间也存在着强相互作用,理论计算表明金属原子与二维载体之间的电荷转移是SACs活性高的主要原因.置换反应法和连续还原法是制备溶胶型SACs的有效方法,其中置换反应法可将活性金属原子原位组装在金属模板团簇的顶点位置,连续还原法可将活性原子负载于金属模板团簇的表面.DFT计算表明活性原子和金属模板团簇之间存在电荷转移效应,这是溶胶型SACs具有非常高的催化活性的主要原因.SACs下一步的研究方向可能是:(1)研究开发新型SACs,尽可能提高催化剂中活性金属原子的含量;(2)深入研究SACs的结构、活性以及催化机理之间的关系;(3)尝试将SACs大规模应用于工业催化.     

载体组成对负载型PtSn/ZSM-5催化剂上丙烷脱氢反应性能的影响

用微型催化反应装置结合吡啶吸附的红外光谱、NH3-程序升温脱附、热重、H2化学吸附和程序升温还原等物理化学手段研究了载体组成对负载型PtSn/ZSM-5催化剂上丙烷脱氢反应性能的影响.结果表明,负载型PtSn/ZSM-5催化剂对丙烷脱氢的催化性能与载体组成密切相关.随着ZSM-5载体中SiO2/Al2O3比的增加,催化剂表面的酸中心总量和强酸中心量逐渐减少.当SiO2/Al2O3摩尔比从45增至108时,催化剂对丙烷脱氢反应的催化活性提高,并且催化剂的积炭量下降.当SiO2/Al2O3摩尔比增至304时,Sn组分与载体ZSM-5之间的相互作用减弱,经H2还原后催化剂中Sn0物种所占的比例增加,导致催化剂H2化学吸附量和丙烷脱氢反应活性下降.     

"Alpha"-, "beta"- and "delta"-anhydrodigitoxigenin

The syntheses of 3β-hydroxy-5β-carda-14, 20:22-dienolide (= «β»-anhydro-), 3β-hydroxy-5β-carda-8:14, 20:22-dienolide (= «α»-anhydro-) and «δ»-anhydro-digitoxigenin (= probably 3β-hydroxy-5β, 14β-carda-8, 20:22-dienolide) by the best ways known to date, have been described. «δ»-Anhydro-digitoxigenin represents the thermodynamically most stable isomer. In this isomer the double bond in position 8 is unaffected by hydrogenation with Pt in acetic acid; with perbenzoic acid an epoxide results from which, on hydrogenation, the double bond can be regenerated in its original position. Analogous reactions are known to occur in the 8:14-epoxides.     

化“材”为“筑”

Chemistry is a central, practical and creative discipline. The development of chemistry plays an important role in the progress of science and society, as well as the improvement of the quality of human life. This paper introduces the chemical knowledge of stone, concrete, glass and other inorganic nonmetallic building materials by the anthropomorphically story. Taking nanomaterials as an example, the prospect of building materials development in the future is put forward.     

"Turn-on" fluorescent sensing with "reactive" probes

Chemical probes are valuable tools for the investigation of biochemical processes, diagnosis of disease markers, detection of hazardous compounds, and other purposes. Therefore, the development of chemical probes continues to grow through various approaches with different disciplines and design strategies. Fluorescent probes have received much attention because they are sensitive and easy-to-operate, in general. To realize desired selectivity toward a given analyte, the recognition site of a fluorescent probe is designed in such a way to maximize the binding interactions, usually through weak molecular forces such as hydrogen bonding, toward the analyte over other competing ones. In addition to such a supramolecular approach, the development of fluorescent probes that sense analytes through chemical reactions has witnessed its usefulness for achieving high selectivity, in many cases, superior to that obtainable by the supramolecular approach. Creative incorporations of the reactive groups to latent fluorophores have provided novel chemical probes for various analytes. In this feature article, we overview the recent progress in the development of turn-on fluorescent probes that are operating through chemical reactions triggered by target analytes. Various chemical reactions have been implemented in the development of many reactive probes with very high selectivity and sensitivity toward target analytes. A major emphasis has been focused on the type of chemical reactions utilized, with the hope that further explorations can be made with new chemical reactions to develop reactive probes useful for various applications.     

Making "wheels" and "cubes" from triangles

[Mn(IV)Mn(II)3] triangular units directed by the presence of tripodal alcohols self-assemble in the presence of azide and acetate ligands to form either a [Mn24] "wheel" or a [Mn32] "cube".     

"Clickable" polymersomes

Polymersomes, composed of amphiphilic polystyrene-block-poly(acrylic acid) (PS-b-PAA), with the periphery being covered with azide groups, were used for further functionalization using "click" chemistry.