石墨烯衍生物作为无金属碳基催化剂在有机催化中的应用

近年来, 随着绿色化学和可持续发展等创新理念的提出, 无金属催化剂逐渐成为催化领域的研究热点和前沿. 石墨烯作为一种新型纳米碳材料, 具有机械强度大、比表面积高、稳定性好、电学性质优异等特点, 经过改性或功能化后的衍生物可以作为无金属碳基催化剂, 在有机反应中展现了良好的应用前景. 本文综述了石墨烯衍生物的结构和性质, 探究了石墨烯基材料的结构与催化活性之间的关系, 总结了此类材料作为无金属催化剂在氧化、还原/氢化、偶联、取代反应以及其他有机反应中的应用和反应机理.     

碳基非金属催化剂在有机合成领域的应用及机理研究

碳基非金属催化剂是指包括碳纳米管(CNTs)、氧化石墨烯(GO)、石墨烯(G)、活性炭(AC)及其掺杂或修饰后得到的材料作为用于涉及能量转换等关键反应过程的催化剂.碳基非金属催化剂由于具有来源丰富、成本低、对环境友好、后处理简单、可持续发展等优点,近年来被成功应用于有机合成领域.基于碳基非金属催化剂应用于氧化反应、还原反应、取代反应和偶联反应被成功报道,但针对碳基非金属催化剂应用于有机合成领域进行催化的活性位点的研究目前仍处于早期发展阶段.近年来,科学家们针对其机理的研究主要集中于对催化剂的表征分析和第一性原理计算,但未得出相对一致的实验结论.对碳基非金属催化剂在有机合成领域的应用及机理研究进行了综述.     

新型碳材料在催化领域中的应用及进展

碳材料以其优异的性能和独特的结构,已成为国内外研究的热点,在催化领域中常被用作催化剂和催化剂载体,有效提高了贵金属的利用效率.同时,新型碳材料的兴起也不断吸引着人们的目光.我们综述了普通活性炭、富勒烯、碳纳米管和石墨烯在工业催化反应中的一些应用情况,综述了它们作为催化剂和载体在催化反应中的实际应用和研究进展,最后展望了碳材料在催化领域中的未来发展前景.     

氮掺杂多孔石墨烯对硝基和偶氮化合物的催化还原性能——化学相关专业综合实验的设计与实践

针对溶有常见含硝基和偶氮化合物废水处理的问题，设计了无金属碳基催化剂制备及其对此类化合物催化还原的综合实验。实验以氧化石墨烯为原料，经水热法合成碳基催化剂氮掺杂多孔石墨烯或氮掺杂石墨烯，通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、比表面分析仪、X射线光电子能谱等对其结构、形貌和元素组成等进行表征，并研究其对硼氢化钠还原硝基和偶氮化合物的性能。该实验涉及碳基催化剂制备、表征和废水处理等多个实验环节，涵盖了物理化学、材料化学和环境化学等多个学科领域。通过该实验可以培养学生的科研思维，提高学生的科研动手能力和用化学知识解决实际问题的能力。     

碳纳米材料及其在多相催化中的应用

碳纳米材料（包括零维、一维、二维碳纳米材料以及碳纳米孔材料）是一类新型的催化剂或催化剂载体材料,在氧化脱氢、选择加氢、合成氨、氨分解制氢以及燃料电池等多相催化领域具有广阔的应用前景。本文综述了近年来新型碳纳米材料在多相催化领域中的应用研究进展,介绍了这类催化材料的制备方法,重点阐述了碳载体的微/介观结构、掺杂、电子性质、表面性质、限域效应等对所担载的催化活性组分的分散,对反应物的扩散以及对催化反应的活性和选择性等方面的影响。     

氮掺杂碳包覆金属催化剂的制备及其在多相催化反应中的应用

由于高的比表面积、可调的孔隙结构以及易于修饰的表面化学性质,纳米碳材料作为催化剂和催化剂载体(碳基催化剂)被广泛地应用于多相催化领域.新型的金属和氮共修饰的碳材料(M-N-C)作为非均相催化剂在许多反应(如加氢/氢转移、加氢脱氧、氧化反应)中表现出了优异的催化性能.从结构上讲, M-N-C催化剂可以分为负载型催化剂(M/CN)、金属单原子分散型催化剂(M_(SAC)/CN)和包覆型催化剂(M@CN).本文围绕本课题组近些年取得的研究进展,重点介绍了M@CN催化剂的结构、性质、制备方法及其在催化反应(包括加氢、氢转移、氧化)中的应用,为从分子层面设计新型的非均相催化剂提供了思路借鉴,并对未来的研究方向和发展趋势进行了展望.     

非共价键功能化石墨烯/碳纳米管负载型金属配合物催化剂及催化反应中的应用

碳材料（石墨烯、碳纳米管）具有超大的比表面积、高机械强度、化学稳定性、环境友好等特点，使得其作为一类新型非均相催化剂的优良载体，固载的金属配合物催化剂在许多催化反应中得到了广泛的应用.由于弱相互作用（π-π键、氢键、静电）功能化可以有效的保护碳材料的完整性，从而更好地发挥碳材料本身的优异性能.通过改变温度、溶液极性、外场力来调控非共价键功能化碳材料催化剂在催化反应中载体与催化剂的吸附与分离，使其具有均相催化剂优良的催化活性和多相催化剂的可回收性.综述了近些年来非共价键功能化石墨烯和碳纳米管固载的金属配合物催化剂在催化反应中的研究进展.     

石墨烯基材料在毛细管电泳中的应用进展

石墨烯基材料(石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和石墨烯量子点)是一种新型的单层片状结构碳纳米材料,具有巨大的比表面积、良好的热稳定性和化学稳定性、较强的π-π电子共轭作用、疏水作用及氢键作用等,在分离科学领域展现了非常理想的应用前景。该文主要综述了石墨烯基材料近年来在毛细管电泳(CE)中的研究进展,包括作为背景电解质的添加剂、毛细管电色谱柱的固定相、CE-电化学检测电极的修饰材料和CE样品前处理的新型吸附剂材料等,并对其在CE领域未来的发展和应用进行了展望。     

石墨烯基催化剂的设计合成与电催化应用

为了解决能源匮乏和环境污染的问题,研究人员正致力于寻找清洁可持续的新能源。 其中,氧气还原、氧气析出、析氢反应等是紧密联系新型清洁能源获取和存贮的重要电化学反应。 为了提高其能量转化效率,电催化剂(如碳载铂Pt/C)被广泛地用于降低其反应活化能、提高能量转化效率。 近年来,石墨烯作为一种具有高比表面积和优异导电性的二维碳材料受到了广泛关注。 通过表面杂原子掺杂、缺陷调控和引入催化活性组分等方式,获得了催化性能与贵金属催化剂相媲美,且低价格和高稳定性的非贵金属石墨烯基催化材料。 针对氧气还原、氧气析出和析氢反应在燃料电池、金属-空气电池和电催化水分解中的应用,本文概括综述了通过表/界面结构性质调控提高石墨烯电催化性能和稳定性,获得具有双功能或复合催化性能的石墨烯基催化剂的最新研究进展。 最后总结和展望了亟待解决的问题及未来的发展趋势。     

碳催化剂在催化反应中的应用

由于碳材料表面存在缺陷,可生成具有不同性能的活性位,因此可催化不同的热催化反应.我们首先介绍了单质碳材料的表面结构化学:其表面活性位主要为含杂原子官能团;然后对其可催化的反应进行了介绍:碳单质材料可催化选择性氧化反应、高级氧化反应、还原反应、烷烃活化反应、酸催化反应、电催化还原和氧化反应等.对碳单质催化剂的制备方法、所...     

石墨烯及其衍生物在催化领域的应用

石墨烯具有特殊的光、电、热和力学等特性,期待被广泛应用于不同领域中,成为新型基础材料.然而,石墨烯完美的蜂巢结构、单一的元素组成,不利于其在催化领域的应用,通过掺杂改性可以对石墨烯的结构和性质进行调控,使其在燃料电池、光催化、电催化等领域表现出优异的性能.我们综述了氧化石墨烯、还原石墨烯、掺杂石墨烯等改性石墨烯的合成、表征及其在催化领域的研究进展,并结合自己的研究提出展望.     

氧化石墨烯和石墨烯在催化领域中的应用研究进展

石墨烯具有独特的二维平面结构,其导电性能好,比表面积大,耐酸碱,耐高温.基于石墨烯的优异特性,本文作者从材料的合成和结构等方面对石墨烯基催化剂的研制及其催化性能进行了评述.介绍了石墨烯催化体系的类型和机理,对石墨烯催化中存在的问题进行了简单分析,并对石墨烯在催化领域的应用前景进行了展望.     

纳米碳材料非金属催化的研究进展

纳米碳材料直接作为催化剂的非金属碳催化是目前材料科学与催化领域的前沿方向之一.相对于传统金属催化剂,纳米碳材料催化剂具有高效环保、低能耗、耐腐蚀等优点.在烃类转化、化学品合成、能源催化等领域表现出优异的催化性能和发展潜力.综述了近年来纳米碳非金属催化研究的最新进展,主要包括新型纳米碳材料的表面性质、催化特性、反应机理和宏观制备等关键问题,并对纳米碳催化存在的挑战和前景进行了展望.     

Metal-free activation of dioxygen by graphene/g-C3N4 nanocomposites: functional dyads for selective oxidation of saturated hydrocarbons

Graphene sheet/polymeric carbon nitride nanocomposite (GSCN) functions as a metal-free catalyst to activate O(2) for the selective oxidation of secondary C-H bonds of cyclohexane. By fine-tuning the weight ratio of graphene and carbon nitride components, GSCN offers good conversion and high selectivity to corresponding ketones. Besides its high stability, this catalyst also exhibits high chemoselectivity for secondary C-H bonds of various saturated alkanes and, therefore, should be useful in overcoming challenges confronted by metal-mediated catalysis.     

Heterogeneous liquid phase oxidation of ethylbenzene to acetophenone with graphene carbon-based catalyst

The series of graphene materials and N-doped graphene materials were successfully synthesized and improved by high-temperature treatment with trace iron oxide. XRD, Raman, FT-IR, TEM and XPS were employed for these catalysts. The catalytic performance of these catalysts was investigated in the selective oxidation of ethylbenzene with tert-butyl hydroperoxide as oxidant. The impacts of temperature, mass of catalysts, reaction time and oxidants on the selective oxidation of ethylbenzene were also investigated. The N-doped graphene materials exhibit greatly remarkable catalytic performance than others. The conversion of ethylbenzene is more than 90% and the selectivity of acetophenone is more than 95% at 353 K. Graphene can be used as catalyst owing to its unique structures and chemical properties. The characterization tests show that the doping of N atoms can create more defects and more active sites in the N-doped graphene materials which could greatly improve the catalytic performance. Furthermore, such cost-effective graphene-based catalysts possess good stability and could be reused at least five times without remarkable loss of the catalytic activity.     

From nanographene and graphene nanoribbons to graphene sheets: chemical synthesis

Graphene, an individual two-dimensional, atomically thick sheet of graphite composed of a hexagonal network of sp(2) carbon atoms, has been intensively investigated since its first isolation in 2004, which was based on repeated peeling of highly oriented pyrolyzed graphite (HOPG). The extraordinary electronic, thermal, and mechanical properties of graphene make it a promising candidate for practical applications in electronics, sensing, catalysis, energy storage, conversion, etc. Both the theoretical and experimental studies proved that the properties of graphene are mainly dependent on their geometric structures. Precise control over graphene synthesis is therefore crucial for probing their fundamental physical properties and introduction in promising applications. In this Minireview, we highlight the recent progress that has led to the successful chemical synthesis of graphene with a range of different sizes and chemical compositions based on both top-down and bottom-up strategies.     

Controlled Chemistry Approach to the Oxo‐Functionalization of Graphene

Graphene is the best‐studied 2D material available. However, its production is still challenging and the quality depends on the preparation procedure. Now, more than a decade after the outstanding experiments conducted on graphene, the most successful wet‐chemical approach to graphene and functionalized graphene is based on the oxidation of graphite. Graphene oxide has been known for more than a century; however, the structure bears variable large amounts of lattice defects that render the development of a controlled chemistry impossible. The controlled oxo‐functionalization of graphene avoids the formation of defects within the σ‐framework of carbon atoms, making the synthesis of specific molecular architectures possible. The scope of this review is to introduce the field of oxo‐functionalizing graphene. In particular, the differences between GO and oxo‐functionalized graphene are described in detail. Moreover analytical methods that allow determining lattice defects and functional groups are introduced followed by summarizing the current state of controlled oxo‐functionalization of graphene.     

石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用

石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质.有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一.本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述,重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展,并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望.     

石墨烯负载镍催化CO_2加氢甲烷化

采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),经水合肼还原得到石墨烯(RGO),通过浸渍法制备了石墨烯负载的镍基催化剂(Ni/RGO);对其催化二氧化碳甲烷化反应的性能进行了研究,并与以碳纳米管(CNTs)和活性炭(AC)为载体负载的Ni基催化剂进行了比较.由于催化剂的载体分别为RGO,CNTs和AC,所以Ni将会表现出不同的形态.利用红外光谱(FTIR)、比表面积(BET)测试、程序升温还原(H2-TPR)、X射线衍射(XRD)分析和透射电子显微镜(TEM)等表征手段对其结构及物理性质进行了表征.结果表明,Ni/RGO具有相对较大的比表面积(316 m~2/g),Ni在Ni/RGO上的颗粒尺寸(5.3 nm)小于其在Ni/CNTs(8.9 nm)和Ni/AC(11.6 nm)上的颗粒尺寸;该催化剂在二氧化碳甲烷化反应中具有更高的催化活性和选择性,而且具有良好的使用寿命.     

氮、 硼掺杂石墨烯活性位点及其在氧化反应中作用的研究进展

随着绿色化学的逐渐推广,碳材料作为最有前途的绿色无金属催化剂而备受关注。通过对石墨烯引入杂原子进行化学掺杂是目前最常用于改良碳材料催化活性的有效方法。从结构上看,掺杂石墨烯内特定活性物种在催化过程中起到活性位点的作用,且催化剂的催化活性随活性位点含量增加而增强。且其内部活性位点含量可通过改变制备方法中制备条件实现调控,这有助于开发具有高催化活性的掺杂石墨烯催化剂。本文综述了氮掺杂石墨烯和硼掺杂石墨烯内可作为活性位点的官能团,提出制备方法对活性位点含量的影响,并讨论了内部活性位点在氧化反应中的作用。最后对未来研究方向提出了建议和展望,为开发更高效掺杂石墨烯催化剂提供了思路。