《碳基納米籠的可控制備及其催化功能化研究》是依託南京大學，由王喜章擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：碳基納米籠的可控制備及其催化功能化研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王喜章
- 依託單位：南京大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
將化學氣相沉積與反應過程中原位形成的MgO模板控制生長相結合，以苯、吡啶等有機物為前驅物，製備出形貌結構新穎、純度高、具有超高表面積和大孔容的碳基納米籠，揭示其製備化學規律。利用其超高的表面積、大孔容、豐富的表面缺陷以及雜原子對催化活性物種的配位和/或錨定作用等特點，構建新穎碳基納米籠複合催化劑。系統深入地研究催化劑的組成、結構對催化性能的影響，著重考察甲醇燃料電池電極催化和苯乙酮選擇性催化加氫性能與複合催化劑組成、結構的定性和定量關係，最佳化出具有優良催化活性和穩定性的碳基納米籠複合納米催化劑，研究催化作用機理，為設計和開發性能優良的新型催化劑提供科學依據。
結題摘要
本項目圍繞碳基納米籠/納米管的製備科學與性能開展研究，主要進展如下：以我們前期生長碳納米管時揭示的碳六元環生長機理為指導，將模板控制和CVD生長相結合，以具有多尺度分級結構的MgO為模板，發展了擁有自主智慧財產權、可方便製備碳基納米籠新材料的新技術路線，所得碳基納米籠具有超大比表面、獨特多尺度分級結構(含孔結構)、高石墨化程度、大孔容、摻雜氮含量可調等特點。實現了碳基納米籠的連續化、小批量製備。實現了氮摻雜、硼氮共摻雜碳納米管(NCNTs和BNCNTs)的成分與結構調控，設計並製備了硼、氮相鄰或分離的BNCNTs，發現在適當條件下前驅物的分子結構特徵能部分“遺傳”至產物。利用氮原子的錨定和配位作用及豐富的表面缺陷，發展了不需進行任何預處理、能方便在NCNCs和NCNTs載體上高度分散鐵基、鉑基、釕基納米顆粒構建複合催化劑的方法，在費托合成、甲醇電氧化、苯乙酮不對稱加氫、選擇氧化醇制醛/酮中表現出優良的催化性能，具有廣闊套用前景。明確揭示了氮對載體電子結構的調變作用和載體本徵鹼性有助於提高鐵基費托合成催化劑的催化活性和穩定性、抑制甲烷形成、提高低碳烯選擇性，為設計高效費托合成催化劑提供科學依據。氮摻雜納米籠(NCNCs)在鹼性條件下表現出了顯著優於NCNTs、可與商業Pt/C催化劑媲美的氧還原(ORR)催化活性，兼具優異的抗甲醇滲透、CO中毒能力，實驗結果表明其ORR活性源於氮摻雜對sp2碳電子結構的調變作用，澄清了文獻中的相關爭論。揭示了硼氮共摻雜碳基無金屬ORR催化性能與其微結構的關係：硼、氮相鄰時由於補償作用(氮的孤對電子填入硼的pz空軌道)使其喪失對sp2碳電子結構的活化能力而削弱其ORR催化性能；硼、氮分離時，硼和氮仍能保持其活化能力，表現出良好ORR催化性能。這對於認識碳基無金屬ORR催化作用的本質及催化劑研發有重要價值，為通過(共)摻雜進一步最佳化此類催化劑性能提供了科學依據，也為發展此類新型催化材料提供新的思路和技術路線。以CNCs和NCNCs為電極材料，開發出性能優異的超級電容器，性能與經複雜工藝製得石墨烯的性能相當；構建出可逆循環比容量、比功率和比能量顯著優於文獻報導的鋰離子電池。在JACS、Adv. Mater.(2篇, Frontispiece和Back Cover)、JPCC、ACS Catal.等期刊發表論文7篇，申請中國專利6項(授權1項)。
