过渡金属(Mo,Fe,Co和Ni)基催化剂在电催化还原二氧化碳还原中应用（英文）

近年来,全球二氧化碳排放量逐年增加,对人们赖以生存的生态环境已造成严重威胁,因此将二氧化碳转化成高附加值的化学品和燃料受到前所未有的广泛关注.与目前已开发的转化技术(如热催化和光催化等)相比,电催化二氧化碳转化技术具有稳定的效率、可控的选择性、简单的反应单元和巨大的工业应用潜力,是一种更为理想的转化技术之一.从反应动力学来看,目前的催化剂仍难以克服反应过程中高的能量屏障以及迟缓的反应速度.另一方面,电催化二氧化碳转化包含多个质子和电子的耦合过程,反应过程包含多种路径,反应产物往往是混合物.在此背景下,如何发展高催化效率和高选择性电催化剂成为目前研究的焦点.在众多的电催化剂中,贵金属及其合金展现出较高的电催化二氧化碳还原活性,但储量小的缺点限制了其大规模的工业应用.铜基材料可以把二氧化碳转化为附加值更高的产品.然而,铜基材料仍难以克服选择性差、失活严重和效率低等缺点.作为一种更廉价的材料,碳基催化剂具有价廉、比表面积大、导电性好、化学性质稳定以及优异的机械性能等优点在电催化二氧化碳还原中得到了广泛的研究.然而,单纯的碳催化剂对于二氧化碳分子活化以及吸附反应中间体能力较低,导致了碳基材料催化电催化二氧化碳还原活性以及选择性较低.因此,开发出可实际应用的高效率和高选择性非贵金属电极材料是当前该技术研究中亟待解决的关键科学问题.过渡金属基化合物在能源转化中展现出巨大的应用潜力.过渡金属价电子在d轨道,而d轨道邻近费米能级,d轨道电子填充的变化使得d轨道中心与费米能级相对位置发生变化,进而展现出多种催化活性.电催化二氧化碳还原是一个多电子和质子耦合过程,催化剂的本征活性由其表面电子结构决定.在此背景下,过渡金属基化合物价层电子轨道的多变性使其成为提高电催化二氧化碳还原效率和选择性的理想催化剂.对于电催化二氧化碳还原,不同中间体的标度关系是制约反应总效率的关键因素.N?rskov等研究发现,MoS_2,MoSe_2和Ni掺杂MoS_2催化剂上存在不同种类的活性位点.不同的活性位点可以分别吸附反应中间体并使中间体的吸附过程相对独立,从而有效打断中间体的标度关系.2014年,Salehi-Khojin等成功把MoS_2应用在高效电催化二氧化碳还原中.边缘Mo原子d带电子靠近费米能级的特性使其具有更高的电催化活性.其它研究工作者通过引入掺杂物质,进一步提高了MoS_2的电催化二氧化碳还原性能.Fe位点在理论上虽然具有很高的电催化二氧化碳转化活性,然而目前铁基催化剂的研究相对较少.Co基材料也可用于电催化二氧化碳转化.2016年,Xie等首次制备无机Co基材料用于电催化二氧化碳还原.部分氧化的钴可以促进速控步骤反应进程,进而降低整体反应的过电势.基于此,制备了超薄的Co_3O_4片层,发现价电子轨道中心更靠近费米能级时,电极材料展现出更高的催化活性.进一步研究发现氧空穴的存在也可以减小速控步骤的能量屏障.此外,Ni基材料也被证明具有高的催化二氧化碳转化活性.目前这些研究工作对如何构建高性能电极材料在理论上给出了指导方向,并且联系实验证明了方法的可行性.受到这些工作的启发,未来可将有巨大潜力的过渡金属基化合物化合物,例如过渡金属氮化物、过渡金属磷化物、过渡金属碳化物和过渡金属硼化物等,作为电催化剂研究其二氧化碳还原催化性能.另外,就目前的研究来看,将二氧化碳有效地还原到特定的产物仍存在巨大的挑战.如何优化过渡金属(Mo,Fe,Co和Ni)基催化剂价层d轨道结构,促进反应中间体吸附过程,将是解决催化活性和选择性这一科学问题的关键.     

Fe/Co和Ni/Co镍黄铁矿型析氢反应电催化剂

作为析氢反应的电催化剂,富金属的过渡金属硫化物因能克服富硫金属催化剂所存在的如导电性有限和缺乏必要的纳米结构等不足,近年来受到越来越多的关注.本文介绍了具有镍黄铁矿型结构的三元富金属硫化物复合材料FexCo9-xS8和NiyCo9-yS8(x=y=0-4.5)的合成、表征及其电催化研究.首先,研究了二元钴化合物Co9S...     

多金属氧酸盐材料在二氧化碳电催化还原领域中的研究进展

随着工业发展和全球人口的持续增长,人类对化石燃料的消耗日益增加,从而导致大气中二氧化碳含量的显著增加以及与之相伴的一系列环境问题.电化学还原二氧化碳制备高附加值的燃料和化学品具有稳定的效率和较高的经济可行性等特点,目前已成为一种有前景的策略来缓解当前全球面临的能源短缺和气候变暖问题.然而,电催化二氧化碳还原过程存在反应...     

多金属氧酸盐材料在二氧化碳电催化还原领域中的研究进展（英文）

随着工业发展和全球人口的持续增长,人类对化石燃料的消耗日益增加,从而导致大气中二氧化碳含量的显著增加以及与之相伴的一系列环境问题.电化学还原二氧化碳制备高附加值的燃料和化学品具有稳定的效率和较高的经济可行性等特点,目前已成为一种有前景的策略来缓解当前全球面临的能源短缺和气候变暖问题.然而,电催化二氧化碳还原过程存在反应能垒高和复杂的多电子/质子耦合过程等不足,因此,合理有效的电催化剂设计成为该领域的关键问题.近年,理解和明确电化学二氧化碳还原反应过程的活性起源、选择性调控机制和催化反应机理已成为高效电催化剂设计过程中的重要指导原则.作为一类独特的纳米尺度的金属氧簇,多金属氧酸盐(多酸)已成为二氧化碳还原领域的热点材料.尤其是,多酸明确的结构、优越的电子/质子存储转移能力和二氧化碳吸附活化能力有助于探究二氧化碳还原反应过程中的活性起源和构效机制.因此,利用多酸阐明电化学二氧化碳还原反应中的这些关键问题对于开发高效、可实用化的电催化剂意义重大.本文综述了近年多酸在电催化二氧化碳还原反应中取得的进展,重点介绍了多酸阴离子均相分子催化剂、多酸基无机-有机杂化材料催化剂、多酸电解质溶液、多酸-纳...     

通过金属间化合物PdBi纳米片调控Pd基催化剂电催化CO2还原为甲酸盐(英文)

电催化CO₂还原(CO₂RR)对于降低大气中CO₂浓度、减缓温室效应具有重要意义.在众多CO₂还原产物中,甲酸盐是有机化工生产的重要原料.CO₂是一个线性分子,有两个等量的C=O键,打破它们需要较大的能量势垒和过电位.此外,CO₂还原涉及复杂的质子耦合,电子转移步骤和催化剂上多个结合能相近的反应中间体,导致产物分布广泛、选择性低.Pd催化剂能在较低的负电位下有效催化CO₂还原生成甲酸盐,然而,在高负电位下的CO毒化和CO₂还原的竞争反应(析氢反应,HER)阻碍了甲酸盐的生成.考虑到大多数单金属催化剂对CO₂RR的效率和选择性都不理想,双金属合金催化剂被广泛研究.^*OCHO是甲酸盐生产的关键中间体,它能较好地生成并吸附在以p电子为主的主族金属(如Bi,In,Sn及其氧化物)上,可高选择性获得甲酸盐.因此,通过引入主族金属,可在较宽的电位范围内提高Pd基催化剂的甲酸盐选择性...     

金属单原子催化剂在电催化二氧化碳和水裂解的研究进展

利用电催化技术开发新型能源,是替代传统能源的一种新策略,大量使用化石燃料导致的环境问题有望会通过此技术的发展而得到良好解决,设计并制备出高效稳定的电催化剂对于新型能源技术开发应用至关重要.单原子催化剂(SACs)在载体上具有原子分布的活性位点,是催化领域的新兴材料,具有美好的应用前景,现已成为电催化领域的研究热点.在此综述中,详细阐述了单原子电催化剂的一般载体、制备方法及其先进表征方法,系统总结了单原子电催化剂在能量转化和环境保护(CO₂还原、水裂解)方面的应用.同时,基于各种单原子催化剂研究的最新进展,简单阐述了催化机制,讨论了单原子催化剂在电催化方向的发展挑战和前景,希望为单原子电催化剂的合成、设计和应用提供经验,以更好地促进电催化能量转换方面的发展.     

金属(Fe,Co,Ni,Cu)掺杂的Mo2C催化剂在TiO2表面用于中性条件光催化分解水产氢

中性条件下的分解水产氢(HER)是化工领域的重要反应之一,其效率取决于催化剂的内在特性.在本工作中,我们利用3d金属(Fe,Co,Ni,Cu)对Mo2C进行掺杂来调节其费米能级,从而达到催化剂可在中性条件下吸附水并提高最终活性的目的.首先,利用简单浸渍法将四种金属的前驱体吸附到MoO3表面,然后通过煅烧一步合成金属掺杂的Mo2C.产物Mo2C的XRD峰位移以及XPS表征结果表明,四种金属通过掺杂进入到了Mo2C晶格.利用HRTEM以及相应的元素面扫分析,也证明金属确实掺杂进入了Mo2C体相.考察了Mo2C基催化剂在中性条件下电解水产氢的性能,结果表明,在10 mA/cm2条件下,Cu-Mo2C催化剂表现出最优的HER性能,其次,是Ni-Mo2C,Co-Mo2C,Fe-Mo2C和纯Mo2C,它们的过电位分别为78,90,95,100和173 mV,Tafel斜率分别是40,43,42,56和102 mV/dec.利用阻抗测试详细分析了催化剂-反应液界面电阻Rct的变化情况,样品Mo2C,Fe-Mo2C,Co-Mo2C,Ni-Mo2C和Cu-Mo2C拟合后的Rct值分别为119,89.6,46.5,33.8和23.2 ohm/cm^2,表明金属掺杂能明显降低催化剂的反应界面电阻.由于电催化过程的主要研究对象是表面双电层,所以我们利用循环伏安法计算了催化剂表面双电层的数值,得到上述五个样品的Cdl数值分别为0.047,0.06,0.1,0.16和0.24 F/cm^2,双电层的提高为催化剂表面提供了更多的反应位点.考虑了到光解水的界面反应实质也是电催化过程,我们通过浸渍方法将催化剂负载到锐钛矿TiO2表面,考察调控的功函数对光催化效率的影响.XPS表征验证了M-Mo2C负载于TiO2表面.负载助催化剂的TiO2-M-Mo2C样品均表现出了优于纯TiO2的光解水产氢性能.样品TiO2-Cu-Mo2C,TiO2-Ni-Mo2C,TiO2-Co-Mo2C,TiO2-Fe-Mo2C,TiO2-Mo2C和纯TiO2的产氢速率分别为21,404,275,224,147和112μmol/h.利用瞬态荧光研究了载流子在助催化剂和TiO2两相的界面迁移,通过单指数拟合得到样品TiO2,TiO2-Mo2C,TiO2-Fe-Mo2C,TiO2-Co-Mo2C,TiO2-Ni-Mo2C,TiO2-Cu-Mo2C和TiO2-Pt的荧光寿命分别是22.6,20.5,10.1,4.7,4.0,2.5和1.9 ns,说明不同金属掺杂的Mo2C对提取光生电子的效果不同,元素Cu最有效.进一步利用瞬态吸收光谱研究了TiO2-Mo2C,TiO2-Cu-Mo2C和TiO2-Pt三个样品的载流子迁移,同样采用单指数拟合得到的荧光寿命分别为105,73和31 ps,进一步说明掺杂Cu后助催化剂Mo2C对于提取TiO2的光生电子寿命具有很好的促进作用.利用UPS技术探究了金属掺杂后Mo2C的缺陷能级位置,从计算结果可以看出,元素Cu掺杂后Mo2C具有更深的缺陷能级,该能级对吸附水具有促进作用.利用原位红外光谱对样品进行了水蒸气吸附测试,结果表明,Mo2C,Fe-Mo2C,Co-Mo2C,Ni-Mo2C和Cu-Mo2C样品依次的吸附水性能提升.综上,我们利用3d金属对助催化剂进行了缺陷调控来调变其对水的起始吸附过电位,该工作对设计性能优异的光解水助催化剂具有一定的借鉴意义.     

MH~+(M=Fe,Co,Ni)催化二氧化碳的氢化反应

在密度泛函理论的B3LYP水平下计算了MH~+(M=Fe,Co,Ni)催化二氧化碳的氢化反应.研究表明,氢转移至C上要比转移至O上容易得多.探讨不同泛函方法对反应的影响,从CCSD(T)的计算结果可见,与Co H~+和Ni H~+相比,Fe H~+对H转移至C上的活性较高.电子结构分析表明,反应过程中氢转移为氢负离子转移.     

溶剂化金属原子浸渍法制备高分散负载型催化剂——Ⅱ,Fe,Co,Ni催化剂的分散度和催化性能研究

本文利用一种新的方法-溶剂化金属原子浸渍法制备了Fe/γ-Al_2O_3,Fe/SiO_2,Co/γ-Al_2O_3,Co/SiO_2,Ni/γ-Al_2O_3和Ni/SiO_2六种催化剂。H_2化学吸附,TEM和XRD测定结果表明这些催化剂中Fe,Co,Ni金属颗粒平均直径都小于30A,金属分散度均大于50%。作者研究了Fe/γ-Al_2O_3,Co/γ-Al_2O_3和Ni/γ-Al_2O_3三种催化剂在CO+H_2反应中的催化行为,测定了碳氢产物分布和比催化活性,表明随着H_2/CO比增大和反应温度升高。较高分子量物种产量减少,有利于生成甲烷。催化剂的活性大小次序为Fe>Ni>Co。     

溶剂化金属原子浸渍法制备高分散载型催化剂 II. Fe,Co,Ni催化剂的分散度和催化性能研究

本文利用一种新的方法-溶剂化金属原子浸渍法制备了Fe/γ-Al_2O_3, Fe/SiO_2, Co/γ-Al_2O_3,Co/SiO_2, Ni/γ-Al_2O_3和Ni/SiO_2六种催化剂。H_2化学吸附, TEM和XRD测定结果表明这些催化剂中Fe, Co, Ni金属颗粒平均直径都小于3.0 nm, 金属分散度均大于50%。作者研究了Fe/γ-Al_2O_3, Co/γ-Al_2O_3和Ni/γ-Al_2O_3三种催化剂在CO+H_2反应中的催化行为, 测定了碳氢产物分布和比催化活性, 表明随着H_2/CO比增大和反应温度升高。较高分子量物种产量减少, 有利于生成甲烷。催化剂的活性大小次序为Fe>Ni>Co。     

Transition metal tellurides as emerging catalysts for electrochemical water splitting

Renewable energy powered electrochemical water splitting has been recognized as a sustainable and environmentally-friendly way to produce green hydrogen, which is an important vector to decarbonize the transport sector and hard-to-abate industry, able to contribute to achieving global carbon neutrality. For large-scale deployment of water electrolyzers, it is essential to develop efficient and durable electrocatalysts—one of key components determining the electrochemical performance, based on cheap and earth-abundant materials. To this end, transition metal tellurides (TMTs) have recently emerged as a promising alternative to the conventional platinum group metals for both hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER). This review article provides a brief account of the latest development in TMT-based HER and OER catalysts, with a focus on various strategies developed to improve the catalytic performance, such as nanostructure engineering, composition engineering, and heterostructuring/hybridization. Perspectives of future research on TMT-based catalysts are also shortly outlined.     

过渡金属杂原子Y型分子筛的合成及表征

采用水热法合成了含过渡金属(Ti,Fe)的Y型分子筛,通过XRD、FT-IR、UV-vis-DRS和TG等对其进行了表征.结果表明:少量杂原子Ti、Fe进入骨架后,不影响Y分子筛的晶型及结晶度,但晶胞常数变大,骨架振动IR吸收峰向低频移动;杂原子Y分子筛的UV-vis-DRS谱图上不存在非骨架Ti、Fe的特征峰;TPR曲线表明,在600℃下通氢处理1h后,FeY分子筛仍无还原峰出现,这些均表明杂原子Ti、Fe已进入Y分子筛骨架.     

过渡金属（Cu，Fe，Mn，Co）改性高分散V2O5/TiO2作为高效NH3-SCR脱硝催化剂

选择性催化还原(SCR)是目前固定源及移动源中控制NOx排放最为有效的技术手段之一.工业上应用最广泛的商业SCR催化剂是钒基催化剂.钒基催化剂经钨(钼)改性后具有较好的活性、稳定性和抗水抗硫性能,但在应用过程中仍存在N2选择性较低、活性温度窗口(300–400 oC)较窄及高温下V2O5极易流失等不足,且钨(钼)的价格十分昂贵.因此,用廉价组分提高钒基催化剂的催化性能在实际工业应用中仍具有重要意义.研究发现,很多非贵金属(如Cu, Fe, Mn, Co, Ce, Zr, Nb, Sn, La等)都可以代替钨(钼)用来提高钒基催化剂的选择性、活性温度窗口和(热)稳定性能等.引入的金属通常以氧化物或钒酸盐形式存在,并与活性组分钒物种有很强的相互作用,从而提高钒物种的氧化还原性能及分散度,同时增大表面酸性位数量,抑制锐钛矿向金红石相转变.近年来很多研究发现,经金属改性的钒基催化剂以钒酸盐形式存在时可有效提高催化剂活性和 N2选择性,尤其可显著提高催化剂的(热)稳定性.本文采用浸渍法以廉价易得、储量丰富的过渡金属改性钒基催化剂,得到高度分散的M-V/TiO2(M = Cu, Fe, Mn, Co)脱硝催化剂.结果发现, Cu-V/TiO2和Fe-V/TiO2催化剂表现出较好的催化活性和N2选择性以及优异的稳定性和抗H2O/SO2性能,其中Cu-V/TiO2的工作温度窗口扩展到225–375oC. X射线衍射、拉曼光谱和EDX-mapping表征结果证明,钒物种及引入的金属高度分散在TiO2载体表面,并生成了钒酸盐.氢气程序升温还原结果表明,钒酸盐的形成导致钒物种的还原峰向低温区移动,有利于催化剂氧化还原性能的提升. X射线光电子能谱结果表明, Cu-V/TiO2催化剂表面具有更多的活性氧物种(Oα),且具有较强的电子间相互作用,是SCR活性提高的关键原因之一. NH3程序升温脱附和原位红外光谱实验结果表明,金属的引入可以提高酸量和酸强度; Cu-V/TiO2催化剂表面主要为Lewis酸性位,而Fe-V/TiO2催化剂表面主要为Br?nsted酸性位,两者可能导致不同的SCR反应机理,但均可以提高催化剂在高温下的N2选择性.综上所述,过渡金属改性的钒基催化剂中Cu-V/TiO2具有最好的活性和N2选择性以及较强的稳定性和抗H2O/SO2性能,可能得益于其表面更多的活性氧物种和更多更强的酸性位.     

Trimetallic NiCoM catalysts (M = Mn,Fe, Cu) for methane conversion into synthesis gas

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The reactions of Cr(CO)6, Fe(CO)5, and Ni(CO)4 with O2 yield viable oxo‐metal carbonyls

Transition metal complexes with terminal oxo and dioxygen ligands exist in metal oxidation reactions, and many are key intermediates in various catalytic and biological processes. The prototypical oxo‐metal [(OC)₅Cr? O, (OC)₄Fe? O, and (OC)₃Ni? O] and dioxygen‐metal carbonyls [(OC)₅Cr? OO, (OC)₄Fe? OO, and (OC)₃Ni? OO] are studied theoretically. All three oxo‐metal carbonyls were found to have triplet ground states, with metal‐oxo bond dissociation energies of 77 (Cr? O), 74 (Fe? O), and 51 (Ni? O) kcal/mol. Natural bond orbital and quantum theory of atoms in molecules analyses predict metal‐oxo bond orders around 1.3. Their featured ν(MO, M = metal) vibrational frequencies all reflect very low IR intensities, suggesting Raman spectroscopy for experimental identification. The metal interactions with O₂ are much weaker [dissociation energies 13 (Cr? OO), 21 (Fe? OO), and 4 (Ni? OO) kcal/mol] for the dioxygen‐metal carbonyls. The classic parent compounds Cr(CO)₆, Fe(CO)₅, and Ni(CO)₄ all exhibit thermodynamic instability in the presence of O₂, driven to displacement of CO to form CO₂. The latter reactions are exothermic by 47 [Cr(CO)₆], 46 [Fe(CO)₅], and 35 [Ni(CO)₄] kcal/mol. However, the barrier heights for the three reactions are very large, 51 (Cr), 39 (Fe), and 40 (Ni) kcal/mol. Thus, the parent metal carbonyls should be kinetically stable in the presence of oxygen. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.     

Transition Metal (Mn,Fe, Co,Ni)‐Doped Graphene Hybrids for Electrocatalysis

The development of electrocatalysts is crucial for renewable energy applications. Metal‐doped graphene hybrid materials have been explored for this purpose, however, with much focus on noble metals, which are limited by their low availability and high costs. Transition metals may serve as promising alternatives. Here, transition metal‐doped graphene hybrids were synthesized by a simple and scalable method. Metal‐doped graphite oxide precursors were thermally exfoliated in either hydrogen or nitrogen atmosphere; by changing exfoliation atmospheres from inert to reductive, we produced materials with different degrees of oxidation. Effects of the presence of metal nanoparticles and exfoliation atmosphere on the morphology and electrocatalytic activity of the hybrid materials were investigated using electron microscopy, energy‐dispersive X‐ray spectroscopy, X‐ray photoelectron spectroscopy, and cyclic voltammetry. Doping of graphene with transition metal nanoparticles of the 4th period significantly influenced the electrocatalysis of compounds important in energy production and storage applications, with hybrid materials exfoliated in nitrogen atmosphere displaying superior performance over those exfoliated in hydrogen atmosphere. Moreover, nickel‐doped graphene hybrids displayed outstanding electrocatalytic activities towards reduction of O₂ when compared to bare graphenes. These findings may be exploited in the research field of renewable energy.     

Mixed valency in the high-temperature phases of transition metal molybdates, A MoO4 ( A =Fe, Co, Ni)

Transition metal molybdates of the formulaAMoO₄ whereA=Fe, Co or Ni exhibit a first-order phase transition between 670K–970K. An investigation of the lowtemperature (lt) and high-temperature (ht) phases by x-ray photoelectron spectroscopy, x-ray absorption spectroscopy, magnetic susceptibility and other physical methods shows that the phase transition is associated with a valence change of the typeA ²⁺+Mo⁶⁺αA ³⁺+Mo⁵⁺ in the cases of iron and cobalt molybdates. Contribution No. 311 from the Solid State and Structural Chemistry Unit.     

基于一氧化碳、二氧化碳和氧气分子吸附为探针的碳化钼、碳化钨、氮化钼和氮化钨的表面化学性质：密度泛函理论分析

作为具有吸引力的电极材料,过渡金属碳化物与氮化物被应用在许多电化学储能及能量转换领域. 本工作中,通过密度泛函理论计算,以及一氧化碳 （CO）, 二氧化碳（CO₂）和 氧气（O₂）分子的吸附来表征钼和钨的碳化物及氮化物,如碳化钼（Mo₂C）、碳化钨（W₂C）、氮化钼（Mo₂N）和氮化钨（Mo₂C）的表面化学性质. 这些探针分子可为研究钼和钨的碳化物及氮化物表面在酸性/碱性的氧化还原性质提供衡量方法. 计算结果表明,CO₂分子的吸附发生在路易斯碱位,其碱性降低顺序为α-W₂C(001) > α-W₂N(001) > β-Mo₂C(001) > γ-Mo₂N(100). 此外,CO和O₂分子吸附可用于评估上述碳化物及氮化物的还原能力,其还原性减小顺序为β-W₂C(100) > α-Mo₂C(100) > α-W₂N(001) > α-W₂C(001) > β-Mo₂C(001) > γ-Mo₂N(100). 由于还原本性,使得上述这些碳化物和氮化物成为在各种催化反应中有可能取代贵金属的良好候选材料.     

以卟啉为前驱体制备的M-N-C(M=Co,Fe,Mn)催化剂中不同过渡金属中心对催化乙苯氧化反应的影响

近年来,过渡金属氮碳材料由于其廉价、高效与持久耐用的性质得到广泛研究,被视为钯基催化剂的良好替代品.除了可应用于电催化领域,过渡金属氮碳材料还可作为有机反应催化剂,并显示出良好的催化性能.金属卟啉化合物因其高效模拟自然酶的仿生催化功能而闻名,然而在均相催化体系中其难回收、易自我氧化失活的缺点大大阻碍了其实际应用.对金属卟啉进行热处理是提高其催化性能与稳定性的有效方法.此外,作为内部含有金属-氮配合键的含碳大环化合物,金属卟啉是一步合成金属氮碳材料的良好前驱体.本课题组已证明以金属钴卟啉作为前驱体制得的金属氮碳催化剂具有良好的催化乙苯氧化性能.在此基础上,本文采用含有不同过渡金属中心的四苯基金属卟啉(四苯基钴卟啉、四苯基铁卟啉和四苯基钴卟啉)为前驱体,通过无模板法热处理制备了过渡金属氮碳催化剂M-N-C (M=Co,Fe,Mn),考察不同过渡金属中心对催化剂性能的影响.所得催化剂采用N2吸附-脱附、热重(TG)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱进行了表征.N2吸附-脱附结果表明,所得M-N-C材料具有不同的比表面积与孔道结构,其中Co-N-C催化剂比表面积最大.TG显示,不同金属卟啉的失重情况不同,四苯基钴卟啉失重最多,四苯基铁卟啉次之,四苯基锰卟啉失重最少.从TEM和Raman结果可见,所得不同金属氮碳材料具有不同的石墨化程度,其中Co-N-C材料具有明显的石墨化层状碳结构,石墨化程度最高,Fe-N-C材料次之,而Mn-N-C材料中的碳主要呈片状无定形状态,表明其石墨化程度最低.这可能是不同过渡金属中心在加热过程中对卟啉结构碳化过程催化效果不同所致,其中钴中心对卟啉结构碳化过程的催化效果最佳.另外,考察了该M-N-C催化剂在无溶剂条件下催化分子氧选择性氧化乙苯的性能.结果发现,不同金属中心的M-N-C催化剂表现出不同的催化性能.这可能归因于金属种类的不同、所得催化剂碳氮结构的差别以及金属中心与氮碳结构的协同效应.此外,这些M-N-C材料作为多相催化剂在以氧气为氧源的无溶剂选择性氧化乙苯反应中表现出良好的催化性能,且多次使用后没有明显的活性损失,具有良好的回收使用性能.