纳米金刚石非金属催化性能研究进展

纳米结构碳材料的非金属催化性能研究正在成为国际催化与纳米材料研究的热点之一．纳米金刚石具有分散性能好、表面曲率高、催化性能优异、可批量生产等优点,可高效催化甲烷裂解、丁烷脱氢、乙苯脱氢、亚硝酸根氧化等反应过程．近年来,人们在纳米金刚石微观结构与表面化学活性研究上取得了一定的进展．本文对纳米金刚石上杂原子官能团表征、sp2壳层形成、催化反应机理方面的最新成果作了综述,并对纳米金刚石催化工艺存在的挑战及其规模化应用前景进行了展望．     

基于碳材料的纳米发电器件研究进展

如何解决能源危机已经成为全人类亟待解决的重大挑战之一,而日益严峻的环境污染问题更驱使着人们对清洁能源的迫切需求。近年来,研究人员利用微纳加工技术制备不同维度的碳基材料以捕获周围环境所蕴藏的能量,被视为是一种开发可再生清洁能源的有效途径。本文主要从不同的能量利用形式出发,介绍了不同维度的碳材料用于纳米发电器件的研究进展,同时简要阐述了碳材料纳米发电器件在可穿戴器件、传感器等领域的潜在应用。     

NaCl担载Fe催化裂解乙炔制备纳米碳材料

以水溶性NaCl担载Fe作催化剂,于400℃和420C下化学气相沉积法催化裂解乙炔进行了反应.通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱分析仪对催化剂进行了表征,表征结果显示:活性组分Fe被分散成了粒径在10～40nm之间的纳米颗粒;通过扫描电子显微镜和高分辨透射电镜对产物进行了表征,表征结果显示:当裂解温度为400℃时,...     

纳米碳材料在可穿戴柔性导电材料中的应用研究进展

可穿戴设备的兴起使得对柔性器件的需求日益提高,柔性导电材料作为可穿戴器件的重要组成部分而成为研究的热点。传统的电极材料主要是金属,因金属材料本身不具有柔性,一般通过降低金属层厚度以及设计波纹结构等策略实现其在柔性器件中的应用,其加工程序复杂,成本较高。以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料兼具良好的柔性和优异的导电性,且具有化学稳定、热稳定、光学透明性等优点,在柔性导电材料领域展现了极大的应用潜力。本文简要综述了近年来纳米碳材料在柔性导电材料领域的研究进展,首先介绍了碳纳米管基柔性导电材料,分别包括基于碳纳米管水平阵列、碳纳米管垂直阵列、碳纳米管薄膜、碳纳米管纤维的柔性导电材料;继而介绍了石墨烯基柔性导电材料,包括基于剥离法制备的石墨烯和化学气相沉积法制备的石墨烯以及石墨烯纤维基柔性导电材料;并简述了碳纳米管/石墨烯复合柔性导电材料;最后论述了纳米碳材料基柔性导电材料所面临的挑战并展望了其未来发展方向。     

纳米碳材料负载铂催化剂在环己烷脱氢反应中的催化性能研究

制备了纳米碳材料负载铂的催化剂,通过N₂吸附、TEM、XRD技术分别对载体的BET比表面积和催化剂结构、形貌和粒径大小进行了表征。考察了不同催化剂在环己烷脱氢反应中的催化性能以及温度对纳米碳颗粒负载铂催化剂活性的影响。结果表明,锚定在不同碳载体上的铂有较好的分散性,粒径较小,粒度分布范围较窄并且具有相同的晶型结构。孔状纳米碳颗粒负载铂催化剂的活性高于碳纳米管和高比表面的活性炭负载铂催化剂,并且在低温条件下已经显示了较高的活性,尤其是中空碳颗粒负载铂催化剂在环己烷脱氢反应中显示了好的活性和稳定性。     

共价有机框架材料催化研究进展

共价有机框架材料(COFs)是一类具有高比表面积、高孔隙率、高结晶度的结构多样性多孔材料.由于COFs具有可设计性、易功能化的特点,可通过"自上而下"或者后修饰策略将具有催化活性的官能团或金属颗粒嵌入到材料骨架当中,从而设计出高效催化剂. COFs已逐渐在多相催化及其它催化领域展现出非常大的应用价值.本文综述了COFs作为催化剂载体在多种催化反应中的合成策略与应用,对COFs催化剂的现状进行了总结与展望,同时指出该领域面临的问题与挑战.     

掺杂多孔碳材料催化醇选择性氧化研究进展

羰基化合物是重要的有机中间体,醇类化合物的选择性氧化是合成羰基化合物的一类重要反应.在这类反应中,掺杂多孔碳材料因其独特的性能可直接作为催化剂或者催化剂载体.我们综述了单一掺杂多孔碳材料、共掺杂多孔碳材料和负载型掺杂多孔碳材料的制备方法,可能存在的活性位点和催化机理.最后,讨论了掺杂多孔碳材料目前需要解决的问题,指出设计绿色高效的负载非贵金属的掺杂多孔碳材料是未来的一个重要发展方向.     

通过Scholl反应合成螺烯类纳米碳分子的研究进展

近年来,通过有机合成方式构建的结构精确的纳米碳材料备受关注,展现出独特的性质和广阔的应用前景.将具有螺旋手性的螺烯与大尺寸的分子基纳米碳结合,产生了一类独特的手性纳米碳分子,在手性光学、手性光电子学及自旋电子学等领域具有潜在的应用价值.然而,由于其特殊的螺旋结构及分子内较大的张力,这类纳米碳分子的合成颇具挑战.在合成螺烯类纳米碳分子的几类常用方法中,Scholl反应条件温和且十分高效,被广泛使用.从合成的角度出发,详细综述了通过Scholl反应构建螺烯类纳米碳分子的研究进展,并对该领域未来的发展提出展望.     

富氮空心蠕虫状碳材料的合成及其苯甲醇非金属选择性催化氧化的高活性

Carbon materials have become one of the research hotspots in the field of catalysis as a typical representative of non-metallic catalytic materials. Herein, a facile synthetic strategy is developed to fabricate a series of hollow carbon nanoworms (h-NCNWs) that contain nitrogen up to 9.83 wt% by employing graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) as the sacrificing template and solid nitrogen source. The h-NCNWs catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM), N₂ adsorption-desorption, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), thermal gravimetric (TG), Raman spectra, and X-ray photoelectron spectroscopies (XPS). The catalytic activities of the h-NCNWs catalysts for selective oxidation of benzyl alcohol with O₂ were also evaluated. The characterization results revealed that the h-NCNWs catalysts displayed a unique hollow worm-like nanostructure with turbostratic carbon shells. The nitrogen content and shell thickness can be tuned by varying the relative ratio of resorcinol to g-C₃N₄ during the preparation process. Furthermore, nitrogen is incorporated to the carbon network in the form of graphite (predominantly) and pyridine, which is critical for the enhancement of the catalytic activity of carbon catalysts for the selective oxidation of benzyl alcohol. At a reaction temperature of 120 ℃, a 24.9% conversion of benzyl alcohol with > 99% selectivity to benzaldehyde can be achieved on the h-NCNWs catalyst prepared with a mass ratio of resorcinol to g-C₃N₄ of 0.5. However, the catalytic activities of the h-NCNWs catalysts were dependent on the amount of N dopants, in particular graphitic nitrogen species. The conversion of benzyl alcohol markedly decreased to 13.1% on the h-NCNWs catalyst prepared with a mass ratio of resorcinol to g-C₃N₄ of 1.5. Moreover, the h-NCNWs catalyst showed excellent stability during the reaction process. The conversion of benzyl alcohol and the high selectivity to aldehyde can be kept within five catalytic runs over the h-NCNWs0.5 catalyst. These results indicate that rationally designed carbon materials have great potential as highly efficient heterogeneous catalysts for oxidation reactions.     

水热纳米浇筑HNTs模板法制备碳纳米棒

以埃洛石纳米管（HNTs）为模板和聚乙烯醇（PVA）为碳源,采用水热纳米浇筑法成功制备出碳纳米棒。方法涉及3步,即在HNTs中浇筑PVA,碳化和模板移除。采用一系列表征手段如XRD、FT-IR、SEM、TEM、Raman、XPS、SAED和N₂吸附-脱附等表征碳纳米棒的形成和结构。具有一维棒状结构的碳纳米棒具有高的比表面积（408 m²·g^-1）和典型的介孔特征。     

碳基无金属氧还原电催化剂研究的新进展

以替代铂为目标的高性能廉价氧还原电催化剂的研究为当今科学前沿. 近年来人们发现, 掺杂的碳基纳米结构具有催化活性高、稳定性好、资源丰富、抗CO和抗甲醇能力强等优点, 是一种新型无金属氧还原电催化剂, 具有替代铂基催化剂的潜力. 本文结合作者课题组的最新研究成果, 简要综述了碳基无金属氧还原电催化剂研究的主要进展, 重点关注了富电子氮和缺电子硼单/共掺杂的碳纳米结构的氧还原催化性能及其与电子结构的关系, 展望了碳基无金属氧还原催化剂的发展策略与前景.     

Exohedrally functionalized carbon-based networks as catalysts for electrochemical syntheses

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反应控制相转移催化剂的研究进展

反应控制相转移催化兼具均相和非均相催化的优点,有助于解决催化剂催化活性低及分离回收困难等问题,符合环境友好的要求,所以一直以来备受关注。反应控制相转移现象的形成与催化剂的阴、阳离子结构和溶剂等反应条件密切相关。本文就目前应用广泛的反应控制相转移催化剂的阴、阳离子的结构特点进行综述,最后就反应控制相转移催化体系可能存在的问题和创新方向作了展望。     

Nitrogen-doped carbon nanotube spheres as metal-free catalysts for the partial oxidation of H2S

Nitrogen-doped carbon nanotubes (N-CNTs) with macroscopic shaping were synthesized by a coagulation route using alginate as a coagulating agent and the as-synthesized sample was used as metal-free catalysts in the partial oxidation of H₂S into elemental sulfur. The N-CNT beads display a relatively high desulfurization activity along with a high stability as a function of time on stream. The desulfurization performance of the N-CNT beads was also measured and compared to that of the Fe₂O₃/SiC catalyst. The N-CNT beads display a higher desulfurization activity under the similar reaction conditions with, however, lower sulfur selectivity due to the problem of diffusion of the reactant through the bead porosity.     

非金属催化剂在催化环氧化物和CO2合成环状碳酸酯中的研究进展

随着科学技术的进步和工业化的发展,大量化石燃料被消耗,大气中二氧化碳浓度急剧增加,导致温室效应加剧,严重威胁到人类的生存和发展。基于可持续发展的思想,利用储量丰富且廉价的二氧化碳作为 C1资源替代有毒的气体(如一氧化碳和光气等)制备具有广泛应用的环状碳酸酯,不仅满足“绿色化学”的要求,而且符合“原子经济性”的原则。迄今为止,大量用于催化二氧化碳和环氧化物环加成反应合成环状碳酸酯的催化剂,包括均相催化剂(如金属卤化物、有机碱、离子液体和金属配合物),多相催化剂(如金属氧化物、负载型催化剂、有机聚合物、金属有机框架材料和碳材料等)被报道。其中金属催化剂占主导地位,大多表现出优异的催化活性。然而,目前可供开采的金属矿越来越少,大多数金属的回收再利用率较低,重金属污染日趋严重。因此,开发新型、廉价、绿色、高效、循环性和稳定性好的非金属催化剂具有重要意义。
　　本文主要介绍了近3年以来用于催化二氧化碳和环氧化物环加成反应合成环状碳酸酯的非金属催化剂,主要包括有机碱、离子液体、固载型催化剂、有机聚合物和碳材料等。概括了不同种类催化剂的设计思想及其催化反应机理,重点阐述了分子内以及分子间各种功能基团的协同作用对环加成反应的影响。通过比较发现,具有“C–N=C”结构的有机碱活性相对较高,氢键给体和亲核物质都能与有机碱协同作用提高其催化活性;传统离子液体的活性一般不理想,氢键给体如羟基和羧基的引入有利于促进环加成反应,且多阳离子和多氢键给体功能化的离子液体表现出更高的催化活性;负载型催化剂中,载体和活性组分之间的协同作用有利于加速环加成反应的进行,多种功能基团负载和以共价键方式多层固载能更好地提高催化剂稳定性和催化活性;利用非烯烃化合物制得的活性组分位于主链的多孔有机聚合物,催化活性和稳定性大多高于活性组分位于侧链的烯烃聚合物;碳材料催化剂中,引入不饱和的 N物种(如伯胺和吡啶氮),有利于 CO2的吸附和活化,能促进环加成反应。此外,利用密度泛函的方法,计算模拟催化反应过程,能更好地揭示反应机理,并为设计和制备高效的催化剂提供理论指导。
　　该领域目前面临的重要挑战是研发可以同时实现二氧化碳捕获和转化的新型、环保和高效非金属催化剂,终极目标是利用多孔催化材料在常温和常压下直接捕获工业废气中的二氧化碳,并利用捕获的二氧化碳实现环状碳酸酯的连续生产。基于协同催化的设计思想,利用多种基团功能化的策略合成高效吸附和活化二氧化碳以及开环活化环氧化物的非金属催化剂,有望实现上述目标。     

设计p-n同质结构实现碳氮光催化剂的全解水性能

非金属氮化碳(CN)因其独特的光催化性能而备受关注.本文利用水热处理、高温烧结、高能球磨和烧结的方法成功制得一种具有混合结构的CN光催化剂.先以三聚氰胺为原料进行水热处理(180 ℃,24 h),过滤干燥后,转移到高纯氩气保护下的管式炉中,于550 ℃处理1 h得到CN材料.然后将CN用三聚氰胺和氟化铵水热180 ℃处...     

A new class of metal-free catalysts for direct diastereo- and regioselective Mannich reactions in aqueous media

Camphor sulfonic acid is an efficient catalyst for Mannich reactions of benzaldehyde, aniline and various ketones in aqueous media, with diastereo- or regioselectivities. Meanwhile, three sulfonated amino acids can catalyze the same type of reactions effectively with high diastereo- or regioselectivities.     

Temperature hysteresis in CO oxidation on catalysts of various nature

The temperature hysteresis observed in the oxidation of CO on both supported and unsupported catalysts can be explained by the local overheating of active centers rather than by transitions from one steady state to another.     

Thermodynamic favorable CO2 conversion via vicinal diols and propargylic alcohols: A metal-free catalytic method

Organocatalysis represents a promising field in chemical fixation of CO₂.Herein,a facile metal-free strategy was reported for the one-pot preparation of cyclic carbonates and a-hydroxy ketones from vicinal diols,propargylic alcohols and CO₂.Wide scope of vicinal diols and propargylic alcohols was demonstrated to be efficient under the DBU-catalyzed conditions.A plausible mechanism was proposed,which included detailed main and side reactions under the metal-free conditions.