多相催化反应原位红外系统及其应用

设计和建立了一套能耐高温的用于多相催化反应研究的原位红外系统，反应温度从室温到１１５０Ｋ，系统真空为１．０＊１０＾５－１．０－１０＾－４Ｐａ，红外光谱检测范围为４８００－２００ｃｍ＾－１。此系统扩展了原仪器的功能，提高了仪器利用率和效率。     

固体表面填隙H的化学活性起源于泡利排斥效应

各类固体表面常对外来原子(离子)施加泡利排斥作用.它明显改变了表面填隙或者替位原子(离子)的物理性质.我们首先说明泡利排斥作用广泛存在于各类固体表面.并引进"泡利穴"的概念,用来定量计算固体表面低凹处填隙位置上的外来原子在泡利排斥作用下性质的改变.重点讨论了多相催化中最重要的过渡金属表面的"泡利穴".然后简短介绍我们已经发表的工作,即泡利穴中H原子薛定谔方程的解析.进一步,将填隙H的基态波函数和基态能与自由H原子做比较,显示其性质的改变.由此详细论证,填隙H化学活性增加的两个关键的物理原因是,填隙H电离能的明显降低及诱导电矩的存在.我们把这种激活方式简称为"固体表面填隙H的泡利激活",并讨论它对加氢反应的贡献.同时,对近年来催化研究中一个令人困惑的实验结果给出我们自己的解释.实验明确表明,对加氢反应起关键作用的是过渡金属"表面下的H原子",它们在加氢反应中非常活跃.而"表面H原子"没有参与加氢反应.我们论证,过渡族金属"表面下的H原子"正是被泡利激活的填隙H.限于讨论多相催化问题(固体表面填隙H原子的催化).但是"泡利激活"原则上可以推广到均相催化中.因为在均相催化中经常使用的催化剂通常也具有类似的泡利穴结构.我们只讨论泡利穴中填隙H的催化,但是原则上不难推广到其他元素,例如用类似方法探讨石墨烯表面填隙锂原子的泡利激活.近来的天文观测中发现,很多有机分子云团中(例如H_2O, CH_4, C_2H_2, C_2H_4…等云团),同时存在一些尺寸约0.001～10μm的尘埃物质(如C颗粒, SiO_2颗粒等等).两者的并存使我们猜测,或许这些尘埃物质(包括纳米颗粒)本身就是多相催化剂,其表面存在的"泡利穴"可能对分子的形成有重要贡献.     

在紫外和可见光下具有高催化活性的珊瑚状金红石型二氧化钛的制备

采用溶剂热法在二乙二醇溶液中制备了珊瑚状的金红石二氧化钛(Rut-dg)。扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表明样品呈均匀分散的球形颗粒,直径约为1μm,表面具有珊瑚状的突起结构,半径约10 nm。氮气吸附-脱附结果表明样品比表面达到228 m2·g-1,是商品金红石的7倍多。由于其特殊的形貌,Rut-dg在紫外光下的催化产氢量达到25 000μmol·g-1·h-1,比P25高出50%,是商品金红石活性的13倍。在可见光下的产氢量为270μmol·g-1·h-1,而P25和商品金红石则没有明显活性。进一步实验表明,Rut-dg样品表面检测不到可能引起活性增加的有机杂质存在,因此,珊瑚状的形貌是影响活性的重要因素。样品在300℃焙烧后,珊瑚状表面结构明显烧结,比表面下降了50%,导致产氢量下降了15%～25%,这也说明珊瑚状结构大大促进了光催化产氢活性的提高。     

PW11M(M=Cu、Co)@TiO2多相催化剂的制备及氧化脱硫性能

摘要：以过渡金属(Cu, Co)取代磷钨酸为模板剂,硫酸钛为钛源,通过一步模板法合成出一类多酸基PW11M(M=Cu、Co)@TiO2材料,采用FT-IR、XRD、XPS、Raman、SEM和TEM表征手段对材料进行了结构表征. 结果表明,PW11M(M=Cu、Co)被引入到TiO2中,形成了球形核壳结构. N2吸附-脱附测试表明,PW11Co@TiO2具有介孔结构:孔径大小为3.3 nm,比表面积为72.4 m2/g. 在以H2O2为氧化剂,乙腈为溶剂的氧化脱硫反应体系中考察了其催化活性,结果表明：复合材料PW11M(M=Cu、Co)@TiO2表现出良好的催化性能. 其中催化剂PW11Co@TiO2在投入量为40 mg,反应底物为500 ppm,反应温度60 oC,反应40 min后,DBT的脱硫率达到99.7%. 中断和循环实验表明,催化剂PW11Co@TiO2具有良好的稳定性,在相同的反应条件下,循环反应5次后,催化剂的催化活性没有明显下降.     

多相双金属Pt-Sn/γ-Al_2O_3催化的胺N-烷基化反应合成仲胺和叔胺

基于借氢策略、醇为烷基化试剂的胺的N-烷基化反应是合成胺类化合物的绿色途径.在无外加氢源条件下,多相双金属Pt-Sn/γ-Al2O3催化剂可高效催化醇为烷基化试剂的伯(仲)胺的N-烷基化反应合成仲(叔)胺,反应副产物为水与极少量亚胺.催化体系的底物适应性好,目标产物收率高;催化剂可以循环使用,具有潜在的工业化应用前景.     

多相催化反应的在线光谱-质谱探测系统

在研究多相催化反应中,建立和发展了一套在线高灵敏的共振增强多光子电离-飞行时间质谱检测系统。采用光纤作为传输介质,消除了激光在电离池内的吸收;自制了高输入阻抗的电荷灵敏放大器,提高了信号的稳定性;改进了飞行时间质谱仪中脉冲阀的进气方式,减少了死区,实现了质谱的快速采样。实验结果证明与传统的催化检测仪器相比,本系统具有灵敏度和采样率高,在线实时检测等特点。     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究(英文)

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理,人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究.相比于过渡金属氧化物团簇阳离子,阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多,因此研究还很少.在本工作中,我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy-,产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6)在一个快速流动反应管中进行反应,飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布.在VxOy-与烷烃的反应中,生成了产物V2O6H-和V4O11H-;在与烯烃的反应中,产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6).密度泛函理论计算表明:V2O6-和V4O1-1可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C-H键,也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-),C-H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒.理论计算与实验观测结果相符合.V2O6-和V4O1-1团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征,活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面,因而本研究在分子水平上,揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

单分子层保护纳米 Au 粒子表面配位催化剂的制备及其应用

 贵金属纳米粒子由于其小尺寸效应而表现出特殊的催化性能. 综述了纳米 Au 粒子表面配位催化剂的制备方法及其在催化中的应用. 由于 Au 可与硫化物形成配位键, 所以硫化物可在 Au 表面形成有序单分子膜. 单分子膜保护的 Au 纳米粒子具有非常好的溶解性、分散性、稳定性, 以及由不同的表面功能团而导致的不同的催化性能. 该催化体系兼具均相催化剂和多相催化剂的特点, 这对开发新型催化剂具有重要的理论和实际意义.     

金属有机骨架材料在催化中的应用

金属有机骨架(MOFs)材料是一种相对新型的多孔材料,由于其结构的多样性、可设计性、可剪裁性以及超高的比表面积,近年来吸引了广泛的研究兴趣,并在很多领域展现了潜在的应用前景.特别是在催化方面的应用更受到了强烈的关注.本文的前两部分主要以催化活性位点的来源进行分类,包括配位不饱和金属中心、功能性有机配体、化学修饰接入功能位点以及嵌入在MOFs孔内的金属配合物或金属纳米颗粒等,总结了近几年来MOFs及其复合材料在多相催化方向取得的一些进展.同时在后面两部分也简要地介绍了MOFs在光催化及以MOFs为模板构筑的多孔纳米材料在催化(特别是电催化)方面的一些应用.最后,对MOFs在催化方面的应用前景做了展望.     

共价有机框架材料催化剂

共价有机框架材料（covalent organic frameworks, COF）是功能材料领域研究的热点之一。COF具有孔道结构高度有序、孔径可调、比表面积较大、合成方法多样和易于功能化修饰等优点,是一类新兴的多相催化剂。目前,COF催化剂主要设计思路是：基于“自下而上”策略将非金属催化活性中心嵌入材料骨架来构筑本征型COF催化剂,或者以COF为载体,通过后修饰方式负载金属颗粒或离子构建多相催化剂。鉴于COF以上优势,预计COF催化剂在多相催化和手性催化领域中的应用也将取得更大的进展。本文综述了COF催化剂的合成和功能化策略,并展望了COF在多相催化领域中的应用前景。