《碳基非金屬催化材料的設計製備與性能研究》是依託吉林大學，由劉鋼擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：碳基非金屬催化材料的設計製備與性能研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉鋼
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本研究擬採用一種較為新穎的方法，設計製備表面化學性質可調控的碳基非金屬催化材料，即先利用溶膠－凝膠法得到具有特定組成的有機/無機複合物，再通過高溫碳化和去除無機組分得到碳材料。將通過選用不同類型的有機化合物（碳源）和無機組分、改變製備參數等方法，調控所製備碳材料的組成、孔結構及表面官能團的種類和數量等性質，將主要以醇類氧化反應為目標反應，考察這些材料在以空氣或氧氣為氧源條件下的催化性能，篩選出性能優異的催化劑體系。將採用多種表征手段研究製備過程中有機碳源與無機組分之間相互作用的本質，弄清表面官能團的形成機制及其調控規律，逐步建立碳材料的結構和表面化學性質與催化性能之間關係，探究碳材料表面官能團活化分子氧的反應機制，為新型碳基材料的設計製備及在催化領域中的套用提供一定的參考依據。
結題摘要
本項目從設計製備表面化學性質可調控的碳基非金屬催化劑出發，發展了一種製備多孔碳的簡單方法，即首先採用溶膠－凝膠法得到一種含有磷鋁和檸檬酸的有機/無機複合物（前驅體），之後通過高溫碳化和去除磷鋁組分得到多孔碳；研究了這些非金屬材料在醇類氧化和酯交換反應中的催化性能。 詳細研究表明：通過在前驅體中引入不同量的蔗糖作為輔助碳源，可以使所製備碳材料的孔徑在2～8 nm範圍內調變；這些材料在以空氣為氧源的苯甲醇氧化反應中，較為溫和的反應條件下即表現出催化活性，性能明顯優於CMK-3、MSC、活性炭等其它類型碳。通過將含有不同有機官能團的化合物（包括鄰苯二酚、間苯二酚、對苯二酚等）引入到前驅物中，可以調節材料表面官能團的種類和數量，有效地提高材料在苯甲醇空氣氧化反應中的催化活性，材料表面形成的大量C=O官能團在反應過程中發揮了重要作用。通過將六亞甲基四胺引入前驅物中可以製備出具有鹼性性質的氮摻雜的納米孔碳，這類材料表面同時存在吡啶氮和吡咯氮，且具有優異的熱穩定性，在苯酚和草酸二甲酯酯交換合成草酸二苯酯和草酸苯甲酯的反應中，表現出較高的催化活性和主產物選擇性、以及優異的可循環使用性。此外，我們還從碳材料的形成機制的角度研究了磷酸鹽組分對碳材料的孔結構和表面性質的影響，結果顯示原位形成的磷酸鹽一方面可以起到硬模板作用，另一方面通過與有機碳源之間的配位作用可以保護部分官能團，在表面性質調控方面發揮獨特作用。 另外，項目還以Hummers方法製備的氧化石墨(GO)作為模型材料，通過熱處理手段調節材料的片層結構以及表面官能團種類和數量等參數，系統研究了碳材料微結構與苯甲醇空氣氧化性能的關係。並在深入理解這些結構和表面信息基礎上，構建了碳負載CaO和FeOx催化劑，其中CaO/GO在酯交換合成生物柴油的反應中保持了固體鹼高催化活性的同時，避免了氧化鈣活性中心易於流失的問題；而以硝酸處理的CMK-3為載體的FeOx/H-CMK-3中，FeOx以亞納米粒子的形式高分散在載體表面，在苯甲醇空氣氧化反應中表現出明顯優於塊體和納米氧化鐵的催化特性。 項目先後有5 名研究生參加了研究工作，其中已有2 人獲得博士學位, 1 人獲碩士學位。已發表SCI收錄論文6篇，國際會議論文1篇，國內會議論文3篇，申報國家發明專利1項。其中“新型納米孔碳催化材料的製備與性能研究”獲得吉林省自然科學學術成果獎二等獎。
