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．     

双金属纳米材料催化的有机反应进展

纳米催化介于均相催化与多相催化之间, 也称为”半多相催化”, 目前正受到人们越来越多的关注. 最近几年, 应用双金属纳米材料进行催化研究取得了很大进展, 使用这些催化材料可以增加反应活性和选择性, 而且能很好地得以回收. 本文综述了双金属纳米材料催化的各种有机反应, 如选择性氧化/氢化、偶联和其它反应(脱卤、酰胺化、还原氨化、芳基硼酸与烯酮的1,4-不对称加成和氢解). 将双金属纳米材料用于催化合成更加复杂的有机分子值得期待. 在双金属纳米有机催化领域, 基础理论和实际应用尚有较大的发展空间. 未来该领域的发展需要开展多学科的合作, 包括合理设计和可控制备相关的双金属纳米材料、深入理解催化机理及发展计算催化.     

催化表面化学

催化表面化学是表面科学和催化科学的交叉研究领域,主要是通过固体表面化学研究在原子分子层次理解固体表面催化作用机制和建立催化剂结构-性能关系.由于固体表面结构的复杂性和不均一性,催化表面化学研究具有极大的挑战性.本文介绍了基于"从单晶到纳米晶模型催化体系"开展催化表面化学研究的创新研究思路,并综述了基于该研究思路取得的催化表面化学系列研究进展,包括建立了氧缺陷控制氧化物表面羟基反应性能的概念,揭示了氧化物催化作用的晶面效应,阐述了金催化作用的结构敏感性."从单晶到纳米晶模型催化体系"催化表面化学研究有望实现"从原子分子水平的基础理解到高效催化剂的设计合成"这一多相催化基础研究目标.     

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.     

催化表面物理化学的模型体系研究

催化表面物理化学主要是研究多相催化反应体系催化剂的表面结构．催化性．能关系和催化反应机理从而获得原子分子水平上的理解,为催化剂的改进和设计提供指导．真实催化剂的结构复杂性和不均一性使得无法明确关联其结构和催化性能．,因此构筑结构均一的模型催化剂体系是进行催化表面物理化学研究的常用方法．本文介绍了本研究组在催化表面物理化学模型体系研究中的研究理念,综述了近5年来取得的研究进展．我们将模型催化剂的概念从传统的基二二单晶／单晶薄膜的模型催化剂拓展到基于纳米晶的模型催化剂,由简单到复杂,在不同层次构筑模型催化剂,开展催化表面物理化学研究．这种研究理念有可能实现在原子分子水平理解真实催化反应条件下的催化剂结构．．催化性能关系和催化反应机理．     

纳米金催化一氧化碳氧化反应的理论研究

近年来,纳米金催化剂独特的催化性质,特别是其优异的低温催化氧化活性,引起了人们极大的研究热情.除低温选择氧化外,在精细化学品合成、大气污染物消除、氢能的转换和利用等领域也开发出了一系列有广泛应用前景的金催化反应.此外,体相金的化学惰性和纳米金的超高活性之间差异的“鸿沟”也引起了理论工作者浓厚兴趣,试图从原理上理解体相金和纳米金活性差异的根源. CO催化氧化是最具有代表性的研究金催化活性的化学反应,本文主要综述了近十多年来金催化 CO氧化反应理论计算方面的研究工作.一般认为, CO在纳米金表面的吸附是 CO氧化反应的初始步骤.密度泛函理论研究表明, CO在金表面的吸附强度主要与被吸附金原子的配位数有关：金配位数越低, CO的吸附能越强,部分研究结果表明两者之间存在近似的线性关系.我们研究发现, CO吸附强度也与被吸附金周围配位金原子的相对位置有关,其中位于正下方的配位金原子加强 CO吸附,而位于侧位的配位金原子则弱化 CO吸附,这显然削弱了 CO吸附与金配位数线性关系的可靠性.理论研究表明,在纯金表
　　面上 O2吸附强度一般很弱,只有在一些特殊结构的金团簇上才有较强的吸附,但在 Au/TiO2界面及 CeO2表面上 O2吸附较强.金表面原子氧的吸附和金的表面结构有关.我们发现,原子氧倾向于在金的表面形成一种线性的 O–Au–O结构以增加其稳定性.当金表面的氧覆盖度增大时,会形成一种金氧化物薄膜结构,其结构依赖于氧的化学势和金的表面结构.纳米金催化 CO氧化反应机理可能因体系、载体等的差异而不同.大部分理论计算结果表明,在纯金表面上 O2很难直接解离形成原子氧,因此反应机理可能是吸附的 CO先与 O2反应形成了一种 CO–O2中间体,然后解离形成 CO2.在 Au/TiO2和 Au/CeO2催化剂上 CO催化氧化机理争议很大,均有计算结果支持 LH机理和 M–vK机理.另外,根据实验上观察到了负载型纳米金能直接活化分子氧的结果,理论上也提出了分子氧先解离为原子氧再与 CO反应的氧解离机理.针对如何解离分子氧问题,人们分别提出了低配位金模型、正方形金结构模型、Ti5c模型及 Au/Ti5c模型等.我们也提出了一种独特的双直线 O–Au–O模型来理解 Au/TiO2或 Au/CeO2界面解离活化分子氧.理论计算结果表明,低配位的金,金和载体之间的电荷转移,以及金所表现出的强相对论效应对于纳米金的活性影响很大.需要特别指出的是,金的强相对论效应有助于理解金表面的 CO吸附与金配位的关系、金表面原子氧的吸附特性、金氧化物薄膜的结构和分子氧的活化等过程.我们认为,金的强相对论作用导致了体相金的化学惰性以及纳米金的活性,因此相对论效应的深入研究将有助于理解金催化 CO氧化反应机理,从而有助于深层次理解纳米金催化活性来源.     

纳米碳纤维的微观结构及对丙烷氧化脱氢反应的催化性能

 采用化学气相沉积法制备了具有不同微观结构的纳米碳纤维,并用丙烷程序升温吸脱附和热重实验对纳米碳纤维进行了表征,考察了纳米碳纤维在丙烷氧化脱氢反应中的催化性能. 结果表明,纳米碳纤维表面的含氧基团可能是催化活性中心; 纳米碳纤维不仅具有较好的催化性能,而且在反应条件下具有较高的热稳定性. 在550 ℃下,鱼骨式纳米碳纤维上丙烷转化率为44.9%时,丙烯选择性为33.0%,其催化性能与V-Mg-O等金属氧化物催化剂相当. 不同微观结构纳米碳纤维的催化性能相差较大,这是由于其表面化学性质不同所致.     

纳米金催化一氧化碳氧化反应的理论研究（英文）

近年来,纳米金催化剂独特的催化性质,特别是其优异的低温催化氧化活性,引起了人们极大的研究热情.除低温选择氧化外,在精细化学品合成、大气污染物消除、氢能的转换和利用等领域也开发出了一系列有广泛应用前景的金催化反应.此外,体相金的化学惰性和纳米金的超高活性之间差异的"鸿沟"也引起了理论工作者浓厚兴趣,试图从原理上理解体相金和纳米金活性差异的根源.CO催化氧化是最具有代表性的研究金催化活性的化学反应,本文主要综述了近十多年来金催化CO氧化反应理论计算方面的研究工作.一般认为,CO在纳米金表面的吸附是CO氧化反应的初始步骤.密度泛函理论研究表明,CO在金表面的吸附强度主要与被吸附金原子的配位数有关:金配位数越低,CO的吸附能越强,部分研究结果表明两者之间存在近似的线性关系.我们研究发现,CO吸附强度也与被吸附金周围配位金原子的相对位置有关,其中位于正下方的配位金原子加强CO吸附,而位于侧位的配位金原子则弱化CO吸附,这显然削弱了CO吸附与金配位数线性关系的可靠性.理论研究表明,在纯金表面上O_2吸附强度一般很弱,只有在一些特殊结构的金团簇上才有较强的吸附,但在Au/Ti O_2界面及CeO_2表面上O_2吸附较强.金表面原子氧的吸附和金的表面结构有关.我们发现,原子氧倾向于在金的表面形成一种线性的O–Au–O结构以增加其稳定性.当金表面的氧覆盖度增大时,会形成一种金氧化物薄膜结构,其结构依赖于氧的化学势和金的表面结构.纳米金催化CO氧化反应机理可能因体系、载体等的差异而不同.大部分理论计算结果表明,在纯金表面上O_2很难直接解离形成原子氧,因此反应机理可能是吸附的CO先与O_2反应形成了一种CO–O_2中间体,然后解离形成CO_2.在Au/TiO_2和Au/Ce O_2催化剂上CO催化氧化机理争议很大,均有计算结果支持LH机理和M–v K机理.另外,根据实验上观察到了负载型纳米金能直接活化分子氧的结果,理论上也提出了分子氧先解离为原子氧再与CO反应的氧解离机理.针对如何解离分子氧问题,人们分别提出了低配位金模型、正方形金结构模型、Ti5c模型及Au/Ti5c模型等.我们也提出了一种独特的双直线O–Au–O模型来理解Au/TiO_2或Au/CeO_2界面解离活化分子氧.理论计算结果表明,低配位的金,金和载体之间的电荷转移,以及金所表现出的强相对论效应对于纳米金的活性影响很大.需要特别指出的是,金的强相对论效应有助于理解金表面的CO吸附与金配位的关系、金表面原子氧的吸附特性、金氧化物薄膜的结构和分子氧的活化等过程.我们认为,金的强相对论作用导致了体相金的化学惰性以及纳米金的活性,因此相对论效应的深入研究将有助于理解金催化CO氧化反应机理,从而有助于深层次理解纳米金催化活性来源.     

单分子荧光成像研究单颗粒纳米催化机制

纳米颗粒通常具有优异的催化性能,但由于其内在的异质性,宏观水平的表征难以确定单个纳米颗粒可靠的构效关系和潜在的催化反应机制.单分子荧光成像技术具有单分子灵敏度、高时空分辨率的优点,可以在单颗粒水平实现反应产物的超灵敏检测,因而在纳米催化领域得到了广泛应用.本文综述了单分子荧光成像的发展以及该技术在揭示单颗粒纳米催化反应机制中的应用,主要包括尺寸效应、晶面效应、表面缺陷、等离激元效应、双金属效应、活化能、纳米限域效应以及单颗粒催化通讯等方面.最后总结和展望了单分子荧光成像技术在纳米催化研究中的挑战与发展方向.     

聚丙烯腈纳米纤维载银复合膜绿色制备及其催化性能

采用静电纺丝技术和化学镀方法相结合的方法,用聚丙烯腈(PAN)纳米纤维作为载体,以绿色环保的胺化改性替代化学镀传统的敏化、活化前处理,再化学镀银制备胺化聚丙烯腈纳米纤维载银复合膜(Ag/APAN).SEM、XPS、XRD、FTIR等结果表明,银离子能够吸附在经胺化处理后的PAN纳米纤维表面,且能够在纤维表面生成少量单质银;单质银作为催化活性中心,有效地促进化学镀银的进行,在PAN纳米纤维表面生成均匀致密的银纳米粒子层,制备出了以PAN纳米纤维为核,银层为壳的核壳结构复合膜.银纳米粒子附着在纳米纤维表面,可以使银纳米粒子的催化性能得到充分发挥.通过对催化邻-硝基苯胺与硼氢化钠之间氧化还原反应的研究表明,所制备的Ag/APAN纳米纤维复合膜具有很好的催化效果,且不会造成反应体系的二次污染.     

Recyclable Catalysts for Alkyne Functionalization

In this review, we present an assessment of recent advances in alkyne functionalization reactions, classified according to different classes of recyclable catalysts. In this work, we have incorporated and reviewed the activity and selectivity of recyclable catalytic systems such as polysiloxane-encapsulated novel metal nanoparticle-based catalysts, silica–copper-supported nanocatalysts, graphitic carbon-supported nanocatalysts, metal organic framework (MOF) catalysts, porous organic framework (POP) catalysts, bio-material-supported catalysts, and metal/solvent free recyclable catalysts. In addition, several alkyne functionalization reactions have been elucidated to demonstrate the success and efficiency of recyclable catalysts. In addition, this review also provides the fundamental knowledge required for utilization of green catalysts, which can combine the advantageous features of both homogeneous (catalyst modulation) and heterogeneous (catalyst recycling) catalysis.     

催化剂活性位本质和构效关系的模型催化研究

明确催化剂的活性位本质和构建多相催化的结构和反应性能之间的准确关系是催化基础研究的重点,表面科学研究基于丰富的表征测试手段能够较好地在分子原子水平测定表面结构以明确催化剂活性位本质,并通过高压原位反应池测定相关催化反应性能,获得较可靠的催化剂构效关系。本文简要总结了近年来本人参与的几个模型催化研究例子,包括贵金属表面上CO和烷烃催化氧化的活性表面、纳米Au膜的制备和CO氧化的催化活性位、VO_x/Pt(111)上丙烷氧化的协同作用、Au Pd合金上醋酸乙烯酯合成Au的助催化作用、模型氧化物上纳米Pt的庚烷脱氢环化制甲苯的粒径关系等,以及相关模型催化研究技术的进展。     

Displacement of hexanol by the hexanoic acid overoxidation product in alcohol oxidation on a model supported palladium nanoparticle catalyst

This work characterizes the adsorption, structure, and binding mechanism of oxygenated organic species from cyclohexane solution at the liquid/solid interface of optically flat alumina-supported palladium nanoparticle surfaces prepared by atomic layer deposition (ALD). The surface-specific nonlinear optical vibrational spectroscopy, sum-frequency generation (SFG), was used as a probe for adsorption and interfacial molecular structure. 1-Hexanoic acid is an overoxidation product and possible catalyst poison for the aerobic heterogeneous oxidation of 1-hexanol at the liquid/solid interface of Pd/Al(2)O(3) catalysts. Single component and competitive adsorption experiments show that 1-hexanoic acid adsorbs to both ALD-prepared alumina surfaces and alumina surfaces with palladium nanoparticles, that were also prepared by ALD, more strongly than does 1-hexanol. Furthermore, 1-hexanoic acid adsorbs with conformational order on ALD-prepared alumina surfaces, but on surfaces with palladium particles the adsorbates exhibit relative disorder at low surface coverage and become more ordered, on average, at higher surface coverage. Although significant differences in binding constant were not observed between surfaces with and without palladium nanoparticles, the palladium particles play an apparent role in controlling adsorbate structures. The disordered adsorption of 1-hexanoic acid most likely occurs on the alumina support, and probably results from modification of binding sites on the alumina, adjacent to the particles. In addition to providing insight on the possibility of catalyst poisoning by the overoxidation product and characterizing changes in its structure that result in only small adsorption energy changes, this work represents a step toward using surface science techniques that bridge the complexity gap between fundamental studies and realistic catalyst models.     

Tungsten-Based Nanocatalysts: Research Progress and Future Prospects

The high price of noble metal resources limits its commercial application and stimulates the potential for developing new catalysts that can replace noble metal catalysts. Tungsten-based catalysts have become the most important substitutes for noble metal catalysts because of their rich resources, friendly environment, rich valence and better adsorption enthalpy. However, some challenges still hinder the development of tungsten-based catalysts, such as limited catalytic activity, instability, difficult recovery, and so on. At present, the focus of tungsten-based catalyst research is to develop a satisfactory material with high catalytic performance, excellent stability and green environmental protection, mainly including tungsten atomic catalysts, tungsten metal nanocatalysts, tungsten-based compound nanocatalysts, and so on. In this work, we first present the research status of these tungsten-based catalysts with different sizes, existing forms, and chemical compositions, and further provide a basis for future perspectives on tungsten-based catalysts.     

水滑石基催化剂催化合成碳纳米材料的研究进展

碳纳米材料是一类推动能源存储、 多相催化、 高性能复合和生物医药等领域发展的重要材料, 可控合成碳纳米材料对相关领域的发展具有重要意义. 水滑石(LDHs)材料具有层板金属种类及含量可调等特点, 经焙烧、 还原后可制备出金属种类、 密度和粒径分布各异的高分散、 高稳定金属纳米催化剂, 可实现高效催化生长各种类型的碳纳米材料. 此外, 通过调控反应条件和反应器等, 可以影响LDHs基金属纳米催化剂催化生长的碳纳米材料的结构和性能. 本文总结了LDHs基金属纳米催化剂的可控制备、 碳纳米材料结构调控以及利用LDHs基催化剂制备的碳纳米材料的应用等方面的研究工作, 并阐明了催化剂的可控制备是控制合成碳纳米材料的核心手段, 这为利用LDHs基催化剂进一步合成更高性能碳纳米材料的研究指明了方向. 此外, 本文还结合近些年在光、 电及光热催化方面的研究进展, 展望了基于新型LDHs纳米结构生长碳纳米材料的研究前景.     

Recent Advances in Facile Liquid Phase Epoxidation of Light Olefins over Heterogeneous Molybdenum Catalysts

Molybdenum complexes are versatile and efficient for liquid phase olefin epoxidation reactions. Rational design of catalysts is critical to achieve high atom efficiency during epoxidation processes. Although liquid phase epoxidation has been a popular topic for decades, three key issues, (a) rational control of morphology of molybdenum nanoparticles, (b) manipulating metal‐support interaction and (c) altering electronic configuration at molybdenum center remains unsolved in this area. Therefore, in this paper, we have critically revised recent research progress on heterogeneous molybdenum catalysts for facile liquid phase olefin epoxidation in terms of catalyst synthesis, surface characterization, catalytic performance and structure‐function relationship. Furthermore, plausible reaction mechanisms will be systematically discussed with the aim to provide insights into fundamental understanding on novel epoxidation chemistry.     

Progress of Copper-based Nanocatalysts in Advanced Oxidation Degraded Organic Pollutants

To address global pollution caused by contaminants in water bodies, it is crucial to develop an efficient and environmentally friendly treatment process for wastewater from various industries. Advanced oxidation processes (AOPs) have proven to be highly effective in wastewater treatment due to their high oxidation efficacy and the absence of secondary pollutants. Different methods such as ozone, Fenton, electrochemical, photolysis, and sonolysis can be used in AOPs to degrade emerging pollutants that are resistant to conventional methods. In recent years, nanotechnology has emerged as a viable solution, with various nanomaterials being developed for wastewater treatment. Among them, copper-based nanocatalysts have shown great potential in AOPs. This review focuses on the progress and mechanisms of copper-based nanocatalysts in wastewater treatment via AOPs. It also discusses the challenges associated with oxidation, electrochemistry, Fenton, and photocatalysis in wastewater treatment processes. Copper-based nanocatalysts can be modified to enhance their catalytic activity, selectivity, and stability, leading to improved performance in wastewater treatment. They have shown promising results in degrading pollutants like pharmaceuticals, pesticides, and dyes. However, the practical application of these nanocatalysts still faces challenges, including the high cost of synthesis, potential nanoparticle toxicity, and scalability issues. More research is needed to address these challenges and improve the utilization of copper-based nanocatalysts in wastewater treatment. In addition, Cu-based catalysts with magnetic properties offer the advantage of easy recovery and reusability in wastewater treatment. They can also be incorporated into catalytic membranes, forming efficient systems for recycling. Heterogeneous catalysts with diverse structures, including ternary or quaternary systems, are widely used. However, challenges remain in identifying suitable coupling pairs and understanding the complex processes involved in constructing heterogeneous interfaces without generating defects. Therefore, a thorough understanding of the catalyst‘s band structure is crucial for developing efficient heterogeneous structures. Furthermore, cost implications of synthesis methods and raw materials should be considered in the preparation of transition metal catalysts, and relevant cost analysis data is needed for optimizing the degradation of pollutants. In conclusion, copper-based nanocatalysts hold great potential in AOPs for wastewater treatment. With their magnetic properties, Cu-based catalysts offer the advantage of easy recovery and reusability. However, challenges such as high synthesis costs, nanoparticle toxicity, and scalability issues need to be addressed. Further research is needed to overcome these challenges and optimize the utilization of copper-based nanocatalysts in wastewater treatment processes.     

过渡金属硫化物催化剂催化加氢作用机理

负载型过渡金属(Co、Mo、Ni、W)硫化物催化剂广泛应用于石油炼制催化加氢过程。为了开发高性能的加氢催化剂,过渡金属硫化物催化剂催化活性相的结构与加氢脱硫性能的关系一直以来是催化研究的热点之一。本文从过渡金属硫化物催化剂的活性相结构和反应物在催化剂表面活性位上的吸附-催化反应机理两个方面阐述了过渡金属硫化物催化剂的催化作用研究进展,并对过渡金属硫化物催化剂催化机理研究存在的争议和未来的研究方向进行了分析。     

基于催化应用调控氧化铈纳米材料的形貌

催化剂的设计、合成和结构调控是获得优异性能的关键.传统的策略主要是尽量减小催化剂颗粒尺寸以增加活性中心的数目,即尺寸效应.近年来,材料科学的快速发展使得在纳米尺度上调变催化剂的尺寸和形貌成为可能,特别是通过形貌调控可暴露更多的高活性晶面,大幅度提高催化性能,即纳米催化中的形貌效应.因此,调节催化剂的尺寸与形貌可以单独或协同优化材料的性能.氧化铈作为催化剂的重要组分与结构、电子促进剂被广泛应用于多相催化剂体系.本文总结了近期氧化铈材料形貌可控合成的进展,包括主要的合成策略和表征方法; 进而分析了氧化铈和金-氧化铈催化材料的形貌效应,指出金-氧化铈之间独特的相互作用与载体形貌密切相关; 阐述了氧化铈纳米材料因暴露晶面的差异而获得不同催化性能的化学机制.