《納米碳材料液相選擇性催化環烯烴的氧化機制研究》是依託華南理工大學，由曹永海擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：納米碳材料液相選擇性催化環烯烴的氧化機制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：曹永海
- 依託單位：華南理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
催化環己烯和α-蒎烯等環烯烴選擇性氧化製備高附加值產物是工業上重要的有機合成反應，選擇合適催化劑用以提高產物選擇性顯得尤為重要。納米碳材料是近年湧現的一類新型的無金屬催化劑，其優異且穩定的化學與物理性質為其在液相催化領域套用奠定堅實基礎。本項目擬採用新型的納米碳材料（碳納米管為主）為催化劑，選擇性催化氧化環己烯和α-蒎烯等環烯烴，製備相應的含氧化合物；探討碳材料與環烯烴反應活性的構效關係；中間過氧物種結構及其催化轉化途徑；碳納米管表面化學性質對反應活性的影響；採用原位表征手段等對碳材料在環烯烴氧化中的反應動力學進行深入的研究，揭示環烯烴液相選擇性催化氧化的共性機理和微觀本質。在此基礎上，提出基於反應機理的納米碳材料催化劑設計原則和氧化選擇性調控方法，為環境友好的環烯烴液相催化氧化技術奠定理論基礎；從而為納米碳材料在液相選擇性氧化套用提供新的思路和方法。
結題摘要
碳基材料的表面電子特性是影響其性能的重要因素。通過引入非金屬原子摻雜以調控表面電子特性從而提高碳材料性能是目前研究的熱點。本項目以非金屬原子（氮、氟等）摻雜的碳材料為基礎，探索碳材料對有機物/無機物等底物的相互作用機制，分別套用在烴類液相氧化和廢水重金屬離子治理兩方面，得到較好結果：以摻氮碳納米管為典型催化劑，探究表面摻雜類型在液相催化體系中的作用，摻雜原子對反應中間產物的產生與轉化的誘導作用，以及摻雜原子對反應中間控速步驟的促進作用，從而揭示催化劑電子特性、底物分子特性與空間結構對催化活性的影響，並進一步調控產物分布；以不同摻雜（氟、氮）的碳基材料為吸附劑，考察其與工業廢水中六價鉻離子之間的相互作用。同時，氮摻雜的磁性管狀納米碳具有很好的耐酸腐蝕性，能夠在強酸體系下展示出良好的吸附性能。主要研究進展與成果總結：（1）揭示了氮摻雜可以大幅降低烴類液相反應關鍵步驟的活化能，加快反應速率。在異丙苯液相反應中，摻氮碳納米管降低了控制步驟過氧化物分解反應的活化能（13.01 kJ/mol），低於普通碳管（80.1 kJ/mol），同時提高了該步驟的反應速率2.7×10-1/h，高於普通碳管（7.7×10-3/h）。（2）在環己烷液相氧化體系中，用摻氮碳納米管為催化劑，可以在原位順磁共振光譜上觀測到明顯的過氧化物振動峰，產生溫度明顯低於普通碳納米管；（3）溶劑效應對液相催化體系具有重要作用，在碳催化體系中，適度的極性和酸鹼性可以獲得較高的催化性能；（4）針對無機物底物，異質原子（氟、氮）摻雜可以大幅提升碳材料與金屬離子之間的相互作用，提高其吸附性能，比目前報導的吸附材料的性能高出1~2個數量級；（5）採用管狀的碳基材料為吸附劑，在酸性體系下仍具有高性能和高穩定性。該項目成果為碳基材料的表面改性與進一步發展套用提供了堅實的理論依據與實驗基礎。
