科技進展
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  納米碳材料在烷烴的氧化脫氫等反應中展現出反應活性高,烯烴產物選擇性高,催化活性保持時間長等優勢,其作為一種可再生的環境友好催化劑,可以替代傳統的金屬及其氧化物催化劑直接應用于烷烴催化轉化等相關反應中。經過近20年的發展,研究者在納米碳催化劑制備方法及其在不同催化體系中的應用等方面已經取得了顯著的進步,但是在分子或原子尺度上對納米碳催化本質過程的解釋,以及納米碳催化劑本征活性的評價和比較等問題上仍不清楚。

  最近,中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室催化材料研究部蘇黨生研究員和齊偉博士領導的科研團隊在該領域內取得了重要的進展。利用自行設計搭建的乙苯氧化脫氫反應和活性中心滴定裝置,通過有機小分子與納米碳催化劑表面催化活性中心之間的原位高選擇性化學反應(圖1),研究團隊成功實現了反應條件下納米碳材料本征催化活性和催化活性中心的定量(圖2)。比較不同形貌的納米碳催化材料本征活性可以發現,在較大尺寸范圍內(石墨層彎曲半徑大于5nm),納米碳材料的微觀形貌(如比表面積和石墨層彎曲半徑等)對其本征催化活性的影響很?。▓D3)。原位化學滴定方法的建立首次成功實現了單次實驗測定納米碳催化劑本征活性的設想,為詳盡地動力學分析納米碳催化過程奠定了基礎。對納米碳催化劑本征活性的客觀評價和比較結果是從分子尺度上認識納米碳催化反應過程和納米碳催化劑構效關系的關鍵。相關研究成果以快訊形式發表于Angewandte Chemie International Edition雜志(DOI: 10.1002/anie.201505818)。

  多年來,蘇黨生研究員團隊一直致力于在本質上認識非金屬納米碳催化作用,他們在納米碳催化烷烴氧化脫氫反應活性中心識別(Science, 2008, 322, 73; Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 14224)、催化劑對反應選擇性的調控(Chem. Commun. 2013, 49, 8151)以及納米碳催化劑設計制備原則(Chem. Rev. 2013, 113, 5782)等重要課題上取得了長足的進步,其研究成果在非金屬催化和納米催化領域受到國內外同行的認可和肯定。

  上述研究工作得到了國家自然科學基金、中科院戰略先導項目、金屬所優秀學者、沈陽材料科學國家(聯合)實驗室創新項目和中科院青促會項目的支持。

 

納米碳催化乙苯氧化脫氫反應活性中心原位化學滴定過程示意圖

碳納米管催化乙苯氧化脫氫反應轉化率隨滴定劑消耗量變化規律

不同形貌納米碳材料催化乙苯氧化脫氫反應轉化率和本征活性對比

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