金团簇二十面体结构融合过程中其催化活性的演变

近年来,由有机配体保护的原子精确金属团簇在合成方面已取得了重要进展,其独特的原子结构对一些化学反应产生独特的催化效果.原子精确的团簇催化剂明显不同于纳米颗粒催化剂和单原子催化剂,是一种关联均相和多相的、原子数目确定、尺寸均一、结构精确的新型催化剂.从原子尺度上精确构筑团簇催化剂,探究亚纳米尺度的微观结构对催化性能的影响,为常规催化剂所未能解决的关键科学问题提供解决的机会,为在分子尺度上揭示催化作用机制以及准确关联催化剂结构与催化性能提供新的研究体系,具有重要的科学研究意义.本文设计和使用了三种结构精确的金团簇催化剂,即Au25(PPh3)10(SC2H4Ph)5Cl2,Au38(SC2H4Ph)24和Au25(SC2H4Ph)18,分别由二十面体结构的Au13单元通过中心顶点融合、面融合、体相融合形成的(简写为Auvf、Auff和Aubf),详细研究了这三个金团簇催化剂在二十面体Au13单元的结构融合过程中,其催化活性的演变规律.在催化吡咯烷与O2反应制备γ-丁内酰胺反应中,金团簇催化剂的催化活性顺序为Aubf>Auff>Auvf,表明这三个金团簇中Au13单元的结构随着点、面、体的融合,其催化活性随之增加.同时研究发现,对于同一个Au团簇催化剂,其表面硫醇配体的烷基链越短,其催化活性越高,这主要是由于短链硫醇分子的空间位阻较小,吡咯烷分子更容易进入催化剂的金表面,接触到活性位点,进行催化反应.实验表明,三个团簇金原子均带正电荷,正价金物种可能是催化吡咯烷与O2反应的催化活化物种.研究发现,Aubf团簇表面的活性位数目高于Auff和Auvf团簇的,因此Aubf的催化活性最高;同时,团簇表面配体的烷基链越短,其表面活性位数目也越多,这也进一步解释了表面硫醇配体的烷基链越短,其相应的金团簇催化剂的催化活性越高的原因.吡咯烷与O2在金团簇上反应的可能路径为O2在Au活性位上裂解的O原子和吡咯烷β-H转移至Au活性位的β-H反应脱水后形成亚胺,亚胺经过水解进一步氧化得到产物.这项研究将为在原子层次上调变金属团簇催化剂的结构进而改变其催化性能提供新的思路,对精准设计和构筑高效催化剂具有一定的科学指导意义.     

提高金属有机骨架材料在二氧化碳热催化转化中的性能:策略及前景展望

近年来,大气中CO2的浓度不断增加,带来全球变暖等一系列严重后果,成为国际社会共同关注的环境问题.将CO2催化转化为高附加值化学品可有效降低其向大气中的排放,同时可实现其资源化利用,符合低碳社会的发展目标.目前,已有多种催化体系实现了CO2向不同化学品的转化.然而,由于CO2自身的热力学稳定性和动力学惰性,这些转化通常需要在苛刻的反应条件和较高能耗下进行.设计开发高效催化体系、实现温和条件下CO2的转化利用引起了工业界和学术界的广泛兴趣.金属有机骨架材料(MOFs)是一类由有机配体和金属中心通过配位键组装而成的有机-无机杂化材料,在很多方面展现出良好的应用性能.由于其结构的多样性、可设计性、高比表面积和多孔性等独特性质,MOFs在催化领域吸引了很多研究者的关注.其中,MOFs作为非均相催化剂在CO2热催化转化中表现出良好的应用前景,已实现多种CO2向高值化学品的转化路径.但这些催化体系也存在一些缺点,如有些MOFs材料在催化反应中稳定性差以及其微孔性对反应中的传质造成限制等.因此,设计稳定的MOFs和MOF-基材料并对其结构进行优化改性,从而在温和条件下实现高效的CO2转化具有重要意义.本文综述了提高MOFs在CO2热催化转化反应中性能的几种策略:(1)对MOFs结构中的配体进行设计,包括具有活性官能团的配体、活性配合物作为配体和引入混合配体设计多元MOF;(2)调节MOFs结构中的金属中心,设计混合金属中心和包含活性金属团簇的金属中心;(3)构筑多级孔MOFs;(4)设计MOF-基的复合材料,包括MOFs作为载体与金属纳米颗粒、活性配合物和聚合物构建复合材料;(5)利用MOFs作为前驱体制备MOF-基衍生物材料,重点阐述了如何增加MOFs作为非均相催化剂的催化活性位点以及在CO2转化反应中各位点之间的协同作用.此外,介绍了原位表征技术在MOF-基材料用于CO2固定和转化中的应用.最后,分析了MOF-基非均相催化材料在CO2热催化转化领域目前面临的问题和挑战,包括MOFs材料结构优化、催化机理研究和规模化制备等方面,并对未来的发展趋势进行了展望.     

Magnetite nanoparticle mediated catalytic aquathermolysis of Omani heavy crude oil

The worldwide demand for energy continues to grow and the production of heavy crude is escalating due to shortage of conventional light crude. The transportation of heavy crude oil from the head-well to the refinery is a challenging task due to its high viscosity and low API gravity. Catalytic aquathermolysis is one of the most significant and cost-effective viscosity reduction techniques employed in the up gradation of the crude oil at elevated temperatures and hence to enhance oil extraction process. In this study, catalytic aquathermolysis of Omani heavy crude oil was performed using magnetite nanoparticles (NPs). The NPs were synthesised by reverse co-precipitation method using iron salts in alkaline medium. The synthesised NPs were characterized using Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Powder Diffraction (XRD), Energy Dispersive X- Ray analysis (EDX) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The XRD results exhibited a characteristic peak confirming the high purity of iron oxide nanoparticles. The FTIR spectral analysis designated two well-defined peaks corresponding to wave numbers of 500 ?cm^?1 and 630 ?cm^?1, endorses the presence of Fe–O. The catalytic aquathermolysis experiments were carried out in a Parr high temperature-high pressure batch reactor at different experimental conditions. The processing parameters in temperature range of 250 ?°C - 300 ?°C, 0.1% to 0.3% catalyst loading, water to oil ratio of 1:7 to 3:7 with 24–72 ?h of reaction time. The initial pressure in the reactor was maintained at 32 ?bars and the optimization was performed using the Taguchi method to maximize the level of heavy oil. An orthogonal array was employed to analyse the effects of mean response and mean signal-to-noise ratio (S/N) to upgrade the heavy oil. The regression analysis was used to establish a relationship between the viscosity and experimental parameters. The experimental outcomes indicates that the maximum reduction in viscosity occurred at a processing temperature of 300 ?°C, 1:7 ?W/O ratio, 0.1 ?wt% of catalyst concentration and 48 ?h of reaction time. Similarly, the optimum conditions for the reduction in API gravity were obtained at 280 ?°C temperature, 3:7 ?W/O ratio, 0.2 ?wt% of catalyst concentration and a reaction time of 24 ?h.     

光电解水制氢耦合生物质醇/醛氧化的研究进展

生物质醇/醛是一类重要的生物基平台化合物, 通过催化氧化重整可将其进一步转化为高值含氧化学品或燃料. 太阳能驱动的光电催化技术是实现生物质醇/醛氧化最为绿色高效的途径之一. 与传统光电解水制氢相比, 利用生物质醇/醛氧化来替代阳极析氧过程不仅可以提高阳极产物的附加值, 同时可以提升太阳能到氢能的转化效率. 因此, 光电解水制氢耦合生物质醇/醛氧化对绿氢提效降本和高值化学品合成具有重要意义. 本文综合评述了光电解水制氢耦合生物质醇/醛的氧化反应机理, 总结了目前光电催化技术在生物质醇/醛氧化方面的研究进展, 最后对该领域所面临的机遇和挑战进行了展望.     

Co3O4/UiO-66@α-Al2O3陶瓷膜对VOCs废气的分离催化性能

以α-Al₂O₃为支撑层, UiO-66为分离层, Co₃O₄为催化层, 构建了Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃陶瓷膜.对其形貌结构进行了表征, 并研究了其对挥发性有机物(VOCs)的分离催化性能. 结果表明, 该陶瓷膜对喷涂行业废气中苯与吡啶两种主要成分体现出良好的分离性, 透过侧的气体中吡啶与苯的摩尔浓度比值可由给料侧的1提高至17; 体系中引入臭氧后, 给料侧苯的浓度明显降低, 其去除率可达到89%. 透过侧的吡啶去除率仅为27%, 得到了较大程度的保留, 剩余的吡啶经收集后可进行单独的深度处理. Co₃O₄/UiO-66@α-Al₂O₃陶瓷膜在对喷涂行业废气中苯成分高效降解的同时, 能够有效解决喷涂行业废气处理过程中氮氧化物的排放问题, 有望成为喷涂行业废气预处理工艺的理想选择.     

碳纳米管负载钯基催化剂催化氧化2,5-呋喃二甲醇合成2,5-呋喃二甲酸

为积极应对化石能源枯竭和生态环境日益严峻等问题,可再生生物质资源的深度开发并进一步替代传统能源或石化原料被广泛认可.利用高效催化技术将生物质资源转化为高附加值的平台化合物,有望衍生出大量具备新颖结构与功能的绿色化学品.2,5-呋喃二甲酸(FDCA)作为重要的生物质基平台化合物之一,具有巨大的市场应用价值,其中因其与化石基对苯二甲酸(PTA)有着极其相似的化学结构,以FDCA替代PTA作为合成单体制备大宗聚合物备受关注.以5-羟甲基糠醛(HMF)为原料,采用多相催化体系(主要是贵金属催化剂)选择氧化制备FDCA是目前广泛采用的方法.但“HMF路线”面临一些基础性的难题,如HMF熔点较低,需低温存储,增加了实际应用中的运输成本;HMF在碱性溶液中易降解,导致反应过程中碳平衡损失;HMF结构中含有的不对称的羟基和醛基官能团在氧化反应中会发生竞争反应,致使反应副产物较多;此外,碱性反应介质中通常会得到醛基优先氧化的中间体5-羟甲基-2-呋喃甲酸(HMFCA),但由于HMFCA结构中羧基官能团的存在使得羟基进一步氧化较为困难,通常需要增加碱浓度、提升温度或压力,使反应条件变得苛刻.因此,寻求新的原料替代HMF,实现温和条件下高效合成FDCA具有重要意义.本文采用改性后的碳纳米管负载Pd催化剂(Pd/o-CNT),从具有独特对称结构的2,5-二羟甲基呋喃(BHMF)出发,提出一种新颖、高效催化合成FDCA的“BHMF路线”.反应在60°C常压下进行,BHMF在20 min内即可完全转化,60 min后FDCA的产率最高可达93.0%,优于相同条件下HMF为原料时的性能(FDCA产率仅为35.7%).相比于未作处理的碳纳米管负载钯催化剂(Pd/CNT),Pd/o-CNT催化剂具有更高含量的氢化钯(PdH_x)物种,显著促进了FDCA产率的提升.Pd/o-CNT在循环使用10次后,BHMF仍能完全转化,FDCA产率维持在75%.稳定性下降可能与活性物种流失、团聚及价态变化有关.基于对照试验,本文提出了可能的反应路径,即BHMF主要是通过2,5-二甲酰基呋喃和5-甲酰基-2-呋喃甲酸作为过程中间体,有效转化为FDCA,从而规避并减少生成HMF和活性较低的HMFCA.本文通过以新原料BHMF作底物,实现了高效制备生物基平台化合物FDCA,为生物质的产业化应用提供了新的研究思路.     

铜掺杂钙铝水滑石催化氧化异丙苯制备异丙苯过氧化氢

采用共沉淀法制备了铜掺杂钙铝水滑石Ca₄Cu _x Al-LDHs（x=0,0.1,0.3,0.5,0.8,1.0）,并对其催化异丙苯液相氧化制备异丙苯过氧化氢的活性进行了研究。采用X射线衍射、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜和热分析等手段对Ca₄Cu _x Al-LDHs进行了表征,制备的Ca₄Cu _x Al-LDHs保留了水滑石的片层状结构,铜的掺杂使孔径变小,比表面积增大。当进料比（催化剂/异丙苯）为7.5 mg/mL,反应温度85 ℃,氧气流速为15 mL/min,反应时间7 h,异丙苯的转化率为34.5%,异丙苯过氧化氢的选择性为86.9%,催化剂循环使用5次后,异丙苯的转化率为31.2%,异丙苯过氧化氢的选择性为83.3%。研究为异丙苯过氧化氢开发了新的催化体系。     

Ni-La/CexZr1-xO2对甲烷部分氧化/CH4-CO2重整耦合制合成气的催化剂制备及反应性能

通过共沉淀法制备铈锆固溶体作为载体,采用等体积、分步浸渍的方法制备了一系列10% Ni-3% La/CexZr1-xO2（X=0、0.16、0.5、0.75、1）催化剂,并将其应用到甲烷部分氧化和甲烷二氧化碳重整耦合制合成气的反应中。对不同Ce/Zr比的催化剂性能展开研究,采用XRD、H2-TPR、SEM手段对载体及催化剂进行了表征。结果表明,铈锆固溶体的形成不仅提高了催化剂表面活性组分的分散度,使催化剂表面NiO晶粒尺寸从26.5 nm减到13.7 nm;而且能够加强活性组分与载体之间的相互作用,提高催化剂的热稳定性能;随着Ce/Zr比的增加,催化剂的转化率、选择性及稳定性随之增强,其关系为：Ni-La/Ce0.75Zr0.25O2 > Ni-La/Ce0.5Zr0.5O2 > Ni-La/Ce0.16Zr0.84O2。     

钒钼协同作用下杂多酸催化阻聚甲基丙烯酸甲酯

利用一锅法制备了Dawson型钨磷酸和钼钒磷酸,并用红外光谱和X-射线衍射表征了其结构.采用沸腾法研究了合成的杂多酸对甲基丙烯酸甲酯(MMA)的催化阻聚性能,考察了杂多酸结构、杂多酸用量和反应温度等因素对MMA本体聚合反应的影响.结果表明:钒钼元素在杂多酸催化阻聚MMA的反应中具有明显的协同作用,而且,杂多酸对MMA的催化阻聚作用随钒原子数的增加而增强,杂多酸的用量和反应温度对MMA自聚反应的速率影响较大.在过氧化苯甲酰(BPO)为0.04 g,MMA为10 mL,H9P2Mo15V3O62质量为MMA的0.06%,反应温度为101.2℃或H9P2Mo15V3O62质量为MMA的0.03%,反应温度为89.4℃时,MMA自聚反应被抑制.与传统和常用酚阻聚剂相比,Dawson型钼钒磷酸具有阻聚效果好、后处理简单、无腐蚀和污染问题等优点,能够作为MMA的阻聚剂使用.     

共聚改性g-C3N4-N可见光催化降解RhB的研究

染料废水的排放对人类健康和生态系统构成严重威胁,光催化技术因其操作简单、绿色环保等优点在解决环境污染问题上已显示出巨大的潜力。类石墨相氮化碳（g-C₃N₄）由于成本低且具有良好的化学稳定性,被认为是光催化领域最有前景的新型光催化剂之一,但由于单一g-C₃N₄的比表面积小、可见光吸收能力低、光生电子-空穴复合率高影响了其光催化性能。以邻氨基苯甲腈和尿素为原料,通过高温共聚改性制备高催化活性的g-C₃N₄-N光催化剂,研究g-C₃N₄-N在不同pH值、g-C₃N₄-N投加量和RhB溶液浓度条件下对RhB光催化降解的影响,并结合红外光谱、XRD、BET、UV-Vis对g-C₃N₄-N光催化降解RhB的机理和染料降解路径进行解析。结果表明,经共聚改性制备的碳化氮为类石墨型纯相g-C₃N₄-N,具有稳定的光催化活性、大的比表面积和多孔结构,在初始pH值为3时,加入50 mg的g-C₃N₄-N在可见光条件下光催化降解10 mg·L-1 的RhB可达到最好的光催化降解效果,RhB在暗反应30 min内的吸附去除率可达30%左右,120 min的去除率达到97.7%。在光催化作用下,g-C₃N₄-N将吸附在光催化剂表面的罗丹明B分子通过快速N-脱乙基过程形成DER、EER和AR等大分子中间体,它们在空穴与·OH和·O-₂作用下,共轭结构裂解、开环,生成丁二酸、间苯二酚、丙酸等小分子,脱除的乙基被逐步氧化为乙二醇,这些小分子可以被转化为CO₂和H₂O。