用于储锂电池的三维碳结构集流体

三维碳结构材料具有轻质、优异的热学和电学性质,良好的机械性能和电化学稳定性等特点,用作电化学储能器件的集流体能够优化电极材料层中的导电网络同时缓解体积膨胀,实现电极能量密度、功率密度和循环稳定性的同时提升,在电化学储能领域展现出了巨大的应用潜力.本文结合本课题组在碳材料方面的部分研究工作,概述了当前三维碳结构集流体在锂离子电池中的最新研究进展.根据三维网络结构基元之间的连接方式,从共价键组装和非共价键组装的三维碳网络两个方面进行了分类总结,并对碳集流体在锂离子电池中存在的问题及发展方向进行了阐述,从而为进一步设计和优化新型的三维碳结构集流体提供新思路.     

酰胺直接转化:策略与近期进展

以酰胺直接转化的C-C键形成方法为主线,简要回顾近年取得的主要突破.内容涵盖基于三氟甲磺酸酐活化、化学选择性试剂的还原官能化策略,以及两类催化转化.这些重要进展表明温和条件下的酰胺转化可达到优异的化学选择性、官能团容忍性和较好的底物普适性,转化产物还包括多种官能化的胺、酮和烯胺酯（酮）化合物等,并已在天然产物和生理活性化合物的合成中得到应用与检验.     

多孔碳负载镍纳米颗粒的制备及催化氨硼烷水解制氢

合成了蜂窝状的分级多孔碳,并以多孔碳为载体通过浸渍-化学还原法制备碳载镍(Ni/C)作为催化氨硼烷水解制氢的催化剂。采用XRD、BET、SEM、Raman、TEM等手段对样品进行了表征并研究了Ni/C室温催化性能。结果显示,多孔碳比表面积高达737 m2·g-1,具有部分石墨化结构;负载的非晶态镍纳米颗粒平均粒径约为10 nm,均匀分布在碳基材。碳载镍对氨硼烷水解反应具有良好的催化活性,镍负载量为30wt%时催化性能最佳,298 K温度下放氢速率达到1 304.67 m L·min-1·g-1,活化能为29.1 k J·mol-1,并且具备一定的催化稳定性,表明Ni/C可作为一种廉价高效的催化剂应用于催化氨硼烷水解制氢。     

钠离子电池电极材料研究进展

室温钠离子电池由于原料丰富,分布广泛,价格低廉,引起了人们的研究兴趣。然而,由于钠离子相对于锂离子较重且半径较大,这会限制钠离子在电极材料中的可逆脱嵌过程,从而影响电池的电化学性能。因此研发先进的电极材料成为钠离子电池实用化的关键。本文中我们主要介绍了几种典型的钠离子电池电极材料,并对其最新的研究进展进行了简要综述,将为钠离子电池新型电极材料的研究提供基础。     

孔口催化促进双功能催化剂上合成气制异构烷烃

随着我国国民经济的快速发展,碳基能源需求量在不断上升,能源供需矛盾日益凸显.在可再生能源替代传统化石能源之前,着手开发合成气催化转化补充石油路线获得油料和大宗化学品成为形势所需,其中的关键点之一是高效催化剂的开发以实现对产物选择性的精准调控.近年来,利用氧化物/分子筛双功能催化剂将甲醇合成和C–C偶联有效集成的催化体系开辟了合成气转化乃至C1转化的新路径.随着合成气直接制低碳烯烃和芳烃等一系列研究取得重大进展,合成气定向转化为高品质汽油作为C1化学领域另一极具挑战性的研究课题也受到了科研工作者们的广泛关注.然而,目前对氧化物/分子筛双功能催化剂体系中异构烷烃的形成机理尚不明确,与传统的分子筛负载费托合成催化剂之间的性能差异还缺乏系统的研究.基于此,本文利用水热合成法制备了三种具有不同微孔尺寸的一维SAPO分子筛(SAPO-41、SAPO-11和SAPO-5),分别与尖晶石结构的ZnAlOx氧化物耦合,并将其应用于合成气制汽油反应中.结果表明,以具有中等微孔尺寸的SAPO-41和SAPO-11分子筛作为C–C偶联功能组分时,合成气直接转化产物中C5–C11选择性分别高达71％和79％,且该馏分以异构烷烃产物为主.其中ZnAlOx/SAPO-11催化剂上异构烷烃与正构烷烃的比例(C0iso/C0n)达到13.相较于ZnAlOx/SAPO-11,ZnA-lOx/SAPO-41催化剂在反应4 h后迅速失活,反应稳定性较差.在优化ZnAlOx/SAPO-11催化剂性能后,分别从产物分布、活性和稳定性三方面入手,将其与经典的Co/H-meso-ZSM-5催化剂进行对比分析.结果表明,Co/H-meso-ZSM-5在低温下仍具有较强的CO活化能力,产物中C5–C11选择性可达70％,但C0iso/C0n仅为2.3.此外,由于钴基催化剂的加氢能力较强,甲烷选择性较高.在稳定性方面,虽然二者均有不同程度的失活,但ZnAlOx/SAPO-11催化剂在反应100 h后,C5–C11选择性依然保持在75％左右,而Co/H-meso-ZSM-5上C5–C11选择性降至64％.通过对ZnAlOx/SAPO-11催化剂上产物的细致分析,发现异构烷烃以单支链的异构体为主.结合正丁烷和异丁烷的等温吸附实验以及的动力学尺寸,推断异构烷烃的形成遵循孔口催化机理,即线性烃类的异构化只能在SAPO-11分子筛的孔口附近发生.生成单支链碳氢化合物是孔口催化的一个特征.由于单支链烷烃相对于双支链烷烃不易裂解,因而生成的单支链C5–C11异构烷烃在ZnAlOx/SAPO-11催化剂上稳定存在,抑制了裂解副反应的发生.综上所述,本文发展了一类氧化物/分子筛双功能催化剂用于转化合成气直接制C5–C11异构烷烃,证实了异构烷烃的生成遵循孔口催化机理,是孔口催化在合成气转化中的应用案例.同时本文系统比较了其与传统的分子筛负载费托合成催化剂之间的性能差异,为设计双功能催化剂实现特定目标产物的选择性合成提供了研究思路.     

孔口催化促进双功能催化剂上合成气制异构烷烃

随着我国国民经济的快速发展,碳基能源需求量在不断上升,能源供需矛盾日益凸显.在可再生能源替代传统化石能源之前,着手开发合成气催化转化补充石油路线获得油料和大宗化学品成为形势所需,其中的关键点之一是高效催化剂的开发以实现对产物选择性的精准调控.近年来,利用氧化物/分子筛双功能催化剂将甲醇合成和C–C偶联有效集成的催化体系开辟了合成气转化乃至C1转化的新路径.随着合成气直接制低碳烯烃和芳烃等一系列研究取得重大进展,合成气定向转化为高品质汽油作为C1化学领域另一极具挑战性的研究课题也受到了科研工作者们的广泛关注.然而,目前对氧化物/分子筛双功能催化剂体系中异构烷烃的形成机理尚不明确,与传统的分子筛负载费托合成催化剂之间的性能差异还缺乏系统的研究.基于此,本文利用水热合成法制备了三种具有不同微孔尺寸的一维SAPO分子筛(SAPO-41、SAPO-11和SAPO-5),分别与尖晶石结构的ZnAlOx氧化物耦合,并将其应用于合成气制汽油反应中.结果表明,以具有中等微孔尺寸的SAPO-41和SAPO-11分子筛作为C–C偶联功能组分时,合成气直接转化产物中C5–C11选择性分别高达71％和79％,且该馏分以异构烷烃产物为主.其中ZnAlOx/SAPO-11催化剂上异构烷烃与正构烷烃的比例(C0iso/C0n)达到13.相较于ZnAlOx/SAPO-11,ZnA-lOx/SAPO-41催化剂在反应4 h后迅速失活,反应稳定性较差.在优化ZnAlOx/SAPO-11催化剂性能后,分别从产物分布、活性和稳定性三方面入手,将其与经典的Co/H-meso-ZSM-5催化剂进行对比分析.结果表明,Co/H-meso-ZSM-5在低温下仍具有较强的CO活化能力,产物中C5–C11选择性可达70％,但C0iso/C0n仅为2.3.此外,由于钴基催化剂的加氢能力较强,甲烷选择性较高.在稳定性方面,虽然二者均有不同程度的失活,但ZnAlOx/SAPO-11催化剂在反应100 h后,C5–C11选择性依然保持在75％左右,而Co/H-meso-ZSM-5上C5–C11选择性降至64％.通过对ZnAlOx/SAPO-11催化剂上产物的细致分析,发现异构烷烃以单支链的异构体为主.结合正丁烷和异丁烷的等温吸附实验以及的动力学尺寸,推断异构烷烃的形成遵循孔口催化机理,即线性烃类的异构化只能在SAPO-11分子筛的孔口附近发生.生成单支链碳氢化合物是孔口催化的一个特征.由于单支链烷烃相对于双支链烷烃不易裂解,因而生成的单支链C5–C11异构烷烃在ZnAlOx/SAPO-11催化剂上稳定存在,抑制了裂解副反应的发生.综上所述,本文发展了一类氧化物/分子筛双功能催化剂用于转化合成气直接制C5–C11异构烷烃,证实了异构烷烃的生成遵循孔口催化机理,是孔口催化在合成气转化中的应用案例.同时本文系统比较了其与传统的分子筛负载费托合成催化剂之间的性能差异,为设计双功能催化剂实现特定目标产物的选择性合成提供了研究思路.     

Pd/ZnO在乙炔选择加氢反应中的不同催化机制研究(英文)

化学选择性是评价催化剂性能最重要的参数之一,它直接决定了产物的经济价值及后续的分离成本.传统的负载型金属催化剂由于其金属粒径分布不均,且不同原子数组成的粒子通常具有特征产物选择性,从而限制化学选择性的提高;另一方面,对于金属多原子活性中心,反应物在催化剂表面可以存在多种吸附构型进而衍化为不同产物,产物可控性差.因此,获得金属尺寸均一,且具有原子分散的活性中心,即单原子催化剂,成为官能团多相催化转化高选择性的迫切需求.本课题组通过400 oC还原1%-Pd/ZnO得到PdZn金属间化合物,依据其规律排布的Pd-Zn-Pd单元获得Pd基单原子催化剂.该催化剂在乙烯化工中少量乙炔的加氢转化反应中获得令人欣喜的催化性能——兼具有乙炔的高转化率和乙烯的高选择性.结合微量吸附量热、理论计算等表征,Pd活性中心在PdZn金属间化合物中的特殊空间排布是其优异催化性能的根源,即乙炔以较强的σ键吸附在两个相邻的单Pd金属中心,易吸附活化加氢生成乙烯,而乙烯则吸附于单Pd金属中心,较弱的π键形式吸附有利于其脱附避免过渡加氢.基于前期研究,构筑具有均一单金属中心的负载型单原子催化剂是获得高选择性的另一有效方法,且较之于PdZn金属间化合物催化剂,该类单原子催化剂兼具有原子利用率最大化的优点.本文采用等体积浸渍法制备Pd/ZnO催化剂,通过降低Pd金属含量(1 wt%→0.1 wt%→0.01 wt%)并在较低的温度下(100 oC)还原(H2-TPR表明高温还原形成PdZn金属间化合物型合金)得到负载型单原子催化剂(Pd1/ZnO SAC).高分辨电镜结果表明,当Pd负载量由1%降至0.1%,金属纳米颗粒的粒径尺寸显著降低,而在0.01%-Pd/ZnO催化剂表面,Pd活性中心则以单原子状态分散于载体ZnO表面.X-射线吸收光谱及电子能谱表明,随着负载量的降低,Pd活性物种具有更高的正电性.该催化剂在乙炔选择性加氢反应中表现出更加优越的催化性能,具有与PdZn催化剂相当的高选择性,而更优的比活性.这归结于Pd1/ZnO单原子催化剂的Pdδ+单原子活性中心有助于其与乙炔的静电相互作用并吸附活化加氢生成乙烯,并促使乙烯以较弱的π键吸附,从而易于从催化剂表面脱附获得高选择性.     

石墨相氮化碳负载钒作为多相催化剂用于苯直接氧化制苯酚

苯酚是一种重要的化工原料,目前苯酚的工业生产路线普遍存在工艺流程复杂、苯酚收率低和环境污染严重等问题.为实现苯酚的绿色生产,苯直接氧化制苯酚的合成路线受到各国研究者的广泛关注.在苯直接羟基化反应常用的 N2O, O2和 H2O2三类氧化剂中, N2O由于来源有限,其工业应用受到极大限制;而 O2不易活化,且反应过程中常需还原剂存在,苯酚收率低;相比之下, H2O2作为氧化剂,其唯一副产物是 H2O,而且反应条件温和,因而以 H2O2为氧化剂的苯羟基化反应是最具工业应用前景的苯酚合成路线.然而,由于苯分子中的 C?H键非常稳定,活化能较高,同时产物苯酚的反应活性要高于反应物苯,因此,为实现苯的高效转化,积极探索研究高活性和稳定性的催化剂变得尤为重要.在我们之前的研究中发现,包含大π体系的氧化石墨烯载体有利于具有同样π共轭体系的反应物苯的吸附,进而促进苯的转化,提高反应活性.而石墨相氮化碳(g-C3N4)具有与氧化石墨烯类似的π共轭体系,且表面具有大量的活性位点和缺陷位,对苯环类物质具有较好的活化作用,这使其可能成为更优异的载体材料.基于此,以 g-C3N4为载体,采用浸渍法制备了一系列不同钒含量的催化剂xV/g-C3N4,并通过 XRD, FT-IR, TEM, TG等表征技术对催化剂进行了系统研究,以期揭示催化剂结构与反应活性之间的构效关系. XRD的表征结果表明,xV/g-C3N4仍具有载体 g-C3N4的层状堆积结构,且该结构不受钒负载量变化的影响.同时, xV/g-C3N4中钒物种的分散度较高,未发生团聚晶化.更直观地,通过 TEM观察发现,xV/g-C3N4中的钒物种均匀分散. FT-IR的表征结果说明钒物种与 g-C3N4之间存在较强的相互作用.此外,通过 TG表征发现, g-C3N4高温稳定性较好,即使焙烧温度高达550°C,其结构仍不受影响.综上所述,在xV/g-C3N4催化剂中,载体 g-C3N4的结构非常稳定,经负载钒物种以及焙烧处理后仍能保持不变;而钒物种与 g-C3N4之间存在较强的相互作用,且均匀分散,使催化剂具有较高的稳定性和较好的催化性能.在以 H2O2为氧化剂,80 wt%醋酸溶液为溶剂的苯直接氧化制苯酚反应中,xV/g-C3N4催化剂显示了良好的催化活性,其中反应活性最高的是8V/g-C3N4催化剂,在最佳反应条件下,苯酚的收率和选择性分别达到24.4%和99.2%.同时,通过计算 TOF值发现,8V/g-C3N4的 TOF值高达13.1 h-1,远高于文献中报道的以 C3N4为载体的催化剂的 TOF值(0.52–0.59 h-1),这表明xV/g-C3N4催化剂具有优异的催化活性.此外,以8V/g-C3N4为代表又进一步考察了催化剂的稳定性,在回收重复实验中催化剂的活性保持稳定.     

铂和钯上丙三醇电氧化研究进展：从反应机理到催化材料

生物柴油工业的蓬勃发展带来大量副产品丙三醇(甘油),因此如何将甘油转化为高附加值产品具有重要的研究价值。在各种方法中, 电催化氧化由于其条件温和、环境友好和高效率而备受关注。然而,甘油的电氧化非常复杂,涉及许多反应途径和多个电子和质子转移过程,如何合理设计对目标产物具有高选择性的催化剂是很大的挑战。在本文中, 我们主要概述了铂和钯基催化剂上甘油电氧化研究的最新进展。我们首先总结了基于原位和在线谱学研究以及理论计算获得的影响其电催化活性和选择性的因素。然后,选择代表性文献来说明这些因素如何应用于研制高效甘油电氧化催化剂。最后,提出了未来研究中要解决的关键问题。     

酸性Al2O3层包裹Pt纳米颗粒:增强的金属-酸性双功能协同效应提高其甘油氢解反应催化性能

同时含有金属和酸性位点的双功能催化剂已广泛用于石油加氢裂解和可再生生物质转化中.这两种位点之间的距离对双功能协同作用起着至关重要的作用,进而影响催化剂的活性与选择性.近年来,由生物质转化生产生物燃料和化学品得到了广泛的关注.相比于石油裂解工艺,金属-酸性位点临近效应在生物质转化反应中鲜有报道.甘油是来自生物柴油生产过程中的廉价副产物(约总产量的10%).通过选择性氢解将其转化为具有高附加价值的化学品如1,2-丙二醇和1,3-丙二醇,这是提高其附加值的主要途径.甘油氢解包含脱水与加氢两个过程,分别发生于酸性位点与金属位点上.根据文献报道,Lewis酸位点倾向于进攻甘油端位的羟基,生成中间产物丙酮醇,而Br?nsted酸则更易进攻甘油中间位的羟基产生3-羟基丙醛;随后两者进一步加氢分别生成1,2-丙二醇和1,3-丙二醇.负载型金属催化剂广泛应用于甘油氢解反应中,在金属催化剂中添加酸性助剂能显著提高催化剂的活性.大量研究表明,无论是将酸性物种添加到金属颗粒表面或者是载体上甚至是简单的物理混合,均能有效提升催化剂的催化性能.然而据我们所知,金属-酸性位点之间的临近效应还未在甘油氢解反应中报道过.本文利用原子层沉积技术(ALD)在Pt/Al2O3催化剂表面精确沉积了一层酸性多孔的氧化铝包裹层,同时提高了Pt催化剂的活性与1,2-丙二醇选择性;我们进一步通过高分辨透射电镜(HRTEM)、一氧化碳吸附漫反射红外光谱(CO DRIFTS)、吡啶DRIFTS等手段研究了Al2O3包裹层造成催化活性提升的原因.30个ALD周期氧化铝包裹后的催化剂具有最高的活性与选择性,HRTEM观测到催化剂中的Pt纳米颗粒的尺寸为7 nm,氧化铝包裹层厚度为3.6 nm.与未包裹的Pt/Al2O3催化剂相比,沉积在Pt纳米颗粒上的酸性Al2O3与Pt颗粒形成更多的金属-酸性位点界面,从而提升了Pt与Al2O3酸性位点的亲密性.由于生长的氧化铝薄膜与载体氧化铝为相同物种,因此催化剂包裹前后总体的酸度并未发生明显改变,与吡啶化学吸附实验结果相一致.TEM测试发现,氧化铝包裹层在催化反应测试后会发生部分脱落.CO DRIFTS结果同样表明,随着反应时间的增加,Pt上CO的吸收峰逐渐增强,再次证实了Pt颗粒表面包裹层的脱落;但还发现一个位于1963 cm?1的新CO吸附峰.该峰可归属于吸附于Pt与Al2O3包裹层界面的桥式CO.此外,我们对其丙酮醇中间产物做了加氢反应的对比实验.结果表明Al2O3包裹层对Pt的加氢性能并未增加,说明甘油氢解反应的速控步骤是脱水.因此,我们初步认为,Al2O3包裹对甘油氢解反应活性的提高是通过其酸性而促进甘油脱水反应所致.我们还研究了Pt尺寸效应对甘油氢解反应的影响,发现小颗粒Pt对1,2-丙二醇的选择性比大颗粒更高,而活性更低,这表明甘油氢解是一个结构敏感反应.因此,Al2O3包裹层对1,2-丙二醇选择性的提高可能是由于几何效应造成的,Pt颗粒表面被Al2O3包裹层分割为许多Pt聚集体,类似于减小颗粒尺寸,从而提高了反应选择性.