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第39卷第6期目次
2018, 39(6): 0-0
[摘要]  (2) [HTML全文] (2) [PDF 1463KB] (2)
摘要:
亮点
糖类化学催化转化为氨基酸
张涛
2018, 39(6): 1013-1016  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63093-1
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摘要:
在著名的1953年米勒实验中,甲烷、氨气、氢气和水在持续电火花的作用下被转换成一系列天然氨基酸混合物,包括甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和α-氨基丁酸等等.这种化学转化过程奠定了现代人们对地球生命起源的认知基础.氨基酸作为蛋白质的基本组成成分,在生产生活中有广泛的应用,扮演着不可或缺的角色.目前,微生物发酵过程是氨基酸的主要生产途径,其生产受到许多限制.通过高效的催化方法将氨气和丰富的可再生碳资源直接转化成一系列氨基酸的化学路径尚未实现.
近日,新加坡国立大学颜宁教授课题组与厦门大学王野教授课题组等数个国内外研究小组合作,开辟了一种用化学方法将木质生物质转化成一系列氨基酸的新路径.转化策略分两步:首先将纤维素、葡萄糖等转化为α-羟基酸,再将α-羟基酸在氨水和氢气作用下制备对应的氨基酸.第二步是核心步骤,可以被看作是一种改进版的米勒实验:即采用特定的木质生物质衍生物替代甲烷作为底物,而负载的钌催化剂则取代电火花实现定向高效转化.该系统已经成功用于6种氨基酸制备,包括丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、天冬氨酸和苯丙氨酸等.
将α-羟基酸转化成氨基酸的反应遵循先脱氢再还原胺化途径,其中脱氢是速率控制步骤.在该反应中,碳纳米管上负载的钌催化剂比其他贵金属催化剂表现出显著优异的活性.这主要得益于氨分子对钌纳米颗粒的配位作用增强了钌脱氢反应的活性.基于新开发的催化体系,葡萄糖经由两步化学反应转化成43%丙氨酸,产率与微生物发酵过程相当.文章作者还使用膜蒸馏作为产物分离提纯技术,完成了概念性工艺设计,并用实验加以验证.考虑到氨基酸的高价值,这项报道不仅代表了近年来生物质催化转化的一项重要学术突破,在进一步开发和优化后还具有很好的应用潜力.
论文
锌锰氧化物原位负载磷酸氢钙以提高水氧化性能:一种放氧化合物的模型
江淼, 陈俊英, 李映伟
2018, 39(6): 1017-1026  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63075-X
[摘要]  (1) [HTML全文] (1) [PDF 1278KB] (1)
摘要:
能源已经成为人类赖以生存和社会发展的物质基础.随着社会飞速发展和人口迅速增长,全球能源消耗逐年激增.资料显示,天然气、石油、煤这三种化石能源仍然是全球主要能源.众所周知,化石燃料不可再生,已探明储量的化石燃料仅可供人类使用100-200年.而且,化石燃料的燃烧会带来严重的环境污染和CO2等温室气体的排放.这些问题促使人类寻找开发其它可再生新型能源.而利用太阳光就是很重要的一个可行方案.
光合作用整个过程主要涉及到光系统I (PS I)和光系统Ⅱ (PS Ⅱ).在PS I中,太阳光激发后会有一个电子的转移,使得NADP+被还原为NADPH,然后NADPH会和CO2作用产生糖类.在PS Ⅱ中,水通过Mn4CaO5簇被氧化为氧气.而人工光合作用则是将H2O和CO2转化为O2和其他含碳化合物或者是直接将H2O光解为H2和O2.通过人工模拟光合作用,将水裂解为H2和O2被视为更为直观可行的解决能源的方法.其中,水氧化是一个复杂缓慢的过程,也是水全裂解的瓶颈.因此设计合成高效水氧化催化剂是提高人工光合作用性能的关键.
自然界光合作用中水氧化反应进行的场所是PSⅡ的放氧复合体(OEC),其活性中心是被蛋白质环境包围的Mn4CaO5簇.2011年,Shen等报道了解相率为1.9 Å的的PSⅡ的X-射线晶体结构,在电子密度图上清楚无疑地锁定了CaMn4O5簇中各个金属的位置以及它们周围的配体的位置.三个Mn、一个Ca、四个O组成一个立方烷的骨架结构,四号Mn通过氧桥键与立方烷中的一个Mn原子相连,该Mn原子上有两个水分子,另外两个水分子配位在Ca上.整个CaMn4O5簇周围的氨基酸起到了稳定OEC的作用.人们一般认为,Mn和Ca是PSⅡ中WOC必不可少的辅助因子.大量实验表明,钙是WOC的功能性和稳定性中必不可少的存在.
锰和钙不仅在地球上资源丰富,而且于环境无害,因此是一种极具吸引力的水氧化催化剂.基于此,本文通过焙烧浸渍锰盐的金属有机骨架材料(MOF),成功合成出一种锌锰氧化物(ZMO),并在含三氟甲磺酸钙的中性磷酸缓冲溶液中进行的光催化水氧化反应的同时原位负载钙磷石(CaP),展现出TOF高达0.18 mmolO2molMn-1 s-1的优良性能.通过X射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、原子吸收、X射线光电子能谱、热重、N2吸附-脱附等温线等对催化剂的物相、颗粒大小、元素组成以及比表面积等进行了一系列表征,证明了CaP作为助催化剂提高了锌锰氧化物的光催化产氧性能.该催化剂主要使用了过渡金属锌、锰,以及钙元素,并且在常温和中性条件下使用,因而可以被视为一种有效模拟OEC的功能型化合物.
Pt/Nb-WOx催化甘油选择氢解制1,3-丙二醇:Nb掺杂抑制WOx的过度还原
杨曼, 赵晓晨, 任煜京, 王佳, 雷念, 王爱琴, 张涛
2018, 39(6): 1027-1037  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63074-8
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摘要:
随着生物柴油产业的快速发展,甘油作为副产物大量过剩,通过甘油氢解制备具有高附加值的丙二醇既符合原子经济的原则,又具有重要的学术研究意义和应用价值.其中选择氢解制备1,3-丙二醇,因其产物在新型聚酯材料合成中的重要应用而备受关注,被认为是最具工业应用潜力的甘油转化工艺之一.但是由于反应空间位阻效应和热力学上的限制,甘油氢解制备1,3-丙二醇仍存在很大的挑战.目前,可高选择性制得1,3-丙二醇的催化剂体系主要是铱-铼催化剂和铂-钨催化剂两类;且反应通常需要较苛刻的压力.在我们的前期工作中,单原子/准单原子Pt催化剂(Pt/WOx)成功突破了这一压力壁垒,实现了在较低(1 MPa)氢气压力下优异的甘油选择氢解制1,3-丙二醇活性;但是该催化剂的耐压性能较差,是长期反应后失活的一个主要原因,且随着氢气压力的进一步升高,Pt/WOx催化剂活性大幅下降.研究发现,在高压氢气下,单原子/准单原子催化剂Pt/WOx中的WOx易被过度还原,导致催化剂失活,大大限制了该系列单原子催化剂在涉氢催化反应中的应用.因此,通过载体改性设计制备具有良好氢气稳定性的载体,有可能拓宽催化反应的氢压窗口.
一般来讲,可以通过掺杂来改变载体的电子结构、表面化学性质等,进而改变催化剂活性、选择性和稳定性.为了提高单原子/准单原子催化剂(Pt/WOx)在高压氢气中的稳定性,本文采用原位掺杂法制备了一系列具有不同掺杂量、结构、及物化性质的Nb-WOx载体,并通过物理吸附,XRD,SEM,HRTEM,Raman,XPS对其进行表征.结果发现Nb掺杂的介孔WOx仍保持较高的比表面积(~136 m2/g);且当Nb掺杂量增加至2 wt%时,WOx由一维针状堆积转变为二维片状堆积;至5 wt%时,变为三维球状堆积.以所得的Nb-WOx为载体,我们制备了一系列Pt高度分散的Pt/Nb-WOx催化剂,并考察了其在甘油选择性氢解制备1,3-丙二醇反应中的催化性能.结果表明,当H2压力由1 MPa升到5 MPa后,Pt/WOx催化剂上1,3-丙二醇的收率由13.9%急剧下降到8.3%;但随着Nb掺杂量的增加(>2wt%),1,3-丙二醇的收率随压力升高并没有明显变化,说明该催化剂在高压氢气下的过度还原被有效抑制,反应的最佳氢气压力由1 MPa拓宽到5 MPa.其中,Nb的最佳掺杂量为2 wt%,在Pt/2% Nb-WOx催化剂上1 MPa甘油氢解转化率为40.0%,1,3-丙二醇收率11.9%;当氢气压力为5 MPa时,甘油氢解转化率为40.3%,1,3-丙二醇收率11.1%.值得一提的是,虽然Nb的掺杂使WOx的表面酸量增加,并且表现出了更优的酸催化纤维二糖水解活性,但是在甘油氢解制备1,3-丙二醇的反应中Pt/Nb-WOx催化剂的性能并没有得到提升反而略有下降,进一步证实了催化剂本身的表面酸性位并不是催化甘油选择氢解的活性中心,真正的活性中心很可能是氢气辅助下原位产生的B酸.
对WOx载体进行Nb的掺杂改性,显著提高了单原子/准单原子Pt/WOx催化剂在高压氢气反应条件下的稳定性,进而在更宽压力范围内实现了甘油氢解制1,3-丙二醇的高效催化转化.同时,载体的改性也拓宽了该系列催化剂在其他涉氢反应中的应用范围,尤其是需要较高氢气压力的反应.
一般来讲,可以通过掺杂来改变载体的电子结构、表面化学性质等,进而改变催化剂活性、选择性和稳定性.为了提高单原子/准单原子催化剂(Pt/WOx)在高压氢气中的稳定性,本文采用原位掺杂法制备了一系列具有不同掺杂量、结构、及物化性质的Nb-WOx载体,并通过物理吸附,XRD,SEM,HRTEM,Raman,XPS对其进行表征.结果发现Nb掺杂的介孔WOx仍保持较高的比表面积(~136 m2/g);且当Nb掺杂量增加至2 wt%时,WOx由一维针状堆积转变为二维片状堆积;至5 wt%时,变为三维球状堆积.以所得的Nb-WOx为载体,我们制备了一系列Pt高度分散的Pt/Nb-WOx催化剂,并考察了其在甘油选择性氢解制备1,3-丙二醇反应中的催化性能.结果表明,当H2压力由1 MPa升到5 MPa后,Pt/WOx催化剂上1,3-丙二醇的收率由13.9%急剧下降到8.3%;但随着Nb掺杂量的增加(>2wt%),1,3-丙二醇的收率随压力升高并没有明显变化,说明该催化剂在高压氢气下的过度还原被有效抑制,反应的最佳氢气压力由1 MPa拓宽到5 MPa.其中,Nb的最佳掺杂量为2 wt%,在Pt/2% Nb-WOx催化剂上1 MPa甘油氢解转化率为40.0%,1,3-丙二醇收率11.9%;当氢气压力为5 MPa时,甘油氢解转化率为40.3%,1,3-丙二醇收率11.1%.值得一提的是,虽然Nb的掺杂使WOx的表面酸量增加,并且表现出了更优的酸催化纤维二糖水解活性,但是在甘油氢解制备1,3-丙二醇的反应中Pt/Nb-WOx催化剂的性能并没有得到提升反而略有下降,进一步证实了催化剂本身的表面酸性位并不是催化甘油选择氢解的活性中心,真正的活性中心很可能是氢气辅助下原位产生的B酸.
对WOx载体进行Nb的掺杂改性,显著提高了单原子/准单原子Pt/WOx催化剂在高压氢气反应条件下的稳定性,进而在更宽压力范围内实现了甘油氢解制1,3-丙二醇的高效催化转化.同时,载体的改性也拓宽了该系列催化剂在其他涉氢反应中的应用范围,尤其是需要较高氢气压力的反应.
原子层沉积制备掺氮碳膜修饰的Pt/CNTs实现甲醇高效电催化氧化
杨慧敏, 张佰艳, 张斌, 高哲, 覃勇
2018, 39(6): 1038-1043  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63066-9
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摘要:
甲醇燃料电池作为一种清洁、高效的能源转化形式广受关注.贵金属Pt是甲醇燃料电池阳极催化剂不可缺少的活性组分,但Pt价格昂贵,易与CO等中间体强相互作用而中毒失活,从而限制了甲醇燃料电池的广泛应用.因此,如何提高Pt的利用率成为一个关键问题.研究表明,在碳材料载体中掺杂氮元素,改变了载体本身的表面结构和电子性质,有利于Pt颗粒的成核和生长,可获得尺寸小、分布均匀的Pt纳米颗粒,能显著提升催化反应活性和Pt利用率.然而,传统的氮掺杂方法需要在高温、高压及氨气条件下进行,增加了催化剂制备难度和成本.
原子层沉积技术是逐层超薄沉积技术,能够在原子级别精确控制膜的厚度,既可制备尺度均一、高度可控的纳米粒子,也能实现材料表面的可控超薄修饰.本课题组利用原子层沉积技术优势,首先在碳纳米管表面沉积了直径2nm左右的Pt纳米颗粒,然后在Pt纳米颗粒外表面超薄修饰聚酰亚胺膜,通过后处理得到多孔掺氮碳膜修饰的Pt/CNTs催化剂.碳膜的厚度可简单通过调控聚酰亚胺膜的沉积厚度来控制.结果表明,适当厚度的碳膜修饰Pt/CNTs催化剂可显著提升其甲醇电氧化性能,电流密度可达商业20% Pt/C的2.7倍,催化剂稳定性也显著改善.然而碳膜修饰过厚会导致催化剂活性降低.通过计算催化剂电化学活性表面积发现,超薄修饰碳膜后催化剂活性表面积有所降低,这是由于碳膜的覆盖导致表面Pt原子数减少.修饰前后催化剂颗粒尺度变化不大,推测催化剂活性的提高与形成了有利于催化反应的Pt-碳膜界面有关.然而,当碳膜修饰层过厚时,会导致反应物分子难以扩散到Pt颗粒表面,使催化剂活性降低.预吸附单层CO溶出实验结果表明,多孔掺氮碳膜超薄修饰Pt/CNTs催化剂后,CO氧化峰的起始电位和峰值电位都向低电位处偏移,这表明Pt表面吸附的CO在较低电位下即可被氧化,CO更容易从Pt表面移除,从而提高了催化剂的抗CO毒化能力.X射线光电子能谱实验结果进一步表明,经多孔掺氮碳膜修饰后,Pt的4f电子向高结合能处偏移,表明Pt原子周围的电子密度减小,从而弱化了Pt对CO吸附的σ-π键反馈作用,即减弱了Pt原子对CO的吸附,这是导致掺氮碳膜修饰后催化剂活性及稳定性都大幅提高的原因.
聚多巴胺功能化硅胶沉积单分散Pd纳米粒子的简易原位合成及用作醇需氧氧化反应的多相可循环使用的纳米催化剂
Hojat Veisi, Ahmad Nikseresht, Shahin Mohammadi, Saba Hemmati
2018, 39(6): 1044-1050  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63049-9
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摘要:
本文报道了一种不使用任何稳定剂或还原剂,原位合成硅胶/聚多巴胺复合物(SiO2/PDA)负载的Pd纳米颗粒(Pd NPs)的简易方法.该方法先将PDA涂覆的SiO2颗粒浸在Pd镀液中,然后利用PDA中含N基团的还原能力将Pd物种原位还原为纳米簇合物.并采用高分辨透射电镜、前场扫描电镜、能量散射谱、X射线衍射、X射线光电子能谱、诱导耦合等离子体和红外光谱等手段对所得纳米复合物的结构、形貌和物化性质进行了表征.被PDA基团锚合的Pd NPs具有显著的小颗粒(30-40 nm)特性.作为一个可循环使用的纳米催化剂,SiO2/PDA/Pd NPs在醇的需氧氧化反应中表现出高活性.另外,催化剂经回收和多次重复使用时未出现明显的失活.
可见光辐射下富勒烯[60]-氧化铁复合催化剂的制备及光芬顿法降解有机污染物研究
邹丛阳, 孟则达, 纪文超, 刘守清, 申哲民, 张园, 蒋妮姗
2018, 39(6): 1051-1059  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63067-0
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摘要:
采用简单的可升级的化学浸渍法,将Fe2O3掺杂到富勒烯[60](C60)上,制得C60-Fe2O3纳米复合材料.采用了粉末X射线衍射、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜、高分辨透射电镜、紫外-可见吸收光谱、拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱,对其进行了表征.结果发现,XPS数据中,Fe2p3/2和Fe2p1/2的XPS特征峰分别位于结合能710.9和724.1eV处,对应Fe2O3的Fe3+.富勒烯颗粒均匀分散在Fe2O3纳米颗粒表面,Fe2O3纳米颗粒的平均尺寸大约为20-30nm;Fe2O3对于可见光只有微弱的吸收,而制备出的C60-Fe2O3纳米复合材料对于可见光有较强的吸收响应.
本文将C60-Fe2O3纳米复合光催化材料用于光催化降解50mL,20mg/lMB和50mL,10mg/L苯酚实验.结果发现,在双氧水存在下和可见光(>420nm)辐射条件下,C60-Fe2O3对上述有机污染物均有较好的降解效果.通过测定上述有机物的削减程度,评估了C60-Fe2O3催化剂的光催化活性,通过改变实验条件,得到可见光/C60-Fe2O3/双氧水体系的最佳光催化降解条件:在pH值为3.06~10.34的范围内,投加0.02g催化剂,5mol/L双氧水.结果表明,在最佳条件下,亚甲基蓝在80 min内脱色率能达到98.9%,矿化率能达到71%.浸出实验的结果表明,C60-Fe2O3复合光催化剂中的铁浸出量可以忽略不计.经过5次循环使用后,C60-Fe2O3复合光催化剂仍具有较高的光催化活性.为了进一步验证C60-Fe2O3复合光催化剂的应用广泛性,本文在可见光/C60-Fe2O3/双氧水体系下,开展了降解RhB,MO和苯酚的试验,结果发现,该催化剂它们也具有高的降解效果.机理研究发现,C60-Fe2O3复合光催化剂的高效催化能力可归因于C60和Fe2O3的协同效应:在可见光辐射下,由于C60具有独特的光敏性特征,能够接收电子并把它们转移到Fe2O3的Fe3d轨道,并通过一系列反应,达到Fe3+/Fe2+循环平衡.利用活性组分捕集实验,对光催化反应过程中的主要活性氧化剂进行了区分.结果表明,羟基自由基在整个过程中发挥了最主要的作用.
基于酸促进的单原子活性位点Ir-La-S/AC催化剂在甲醇羰基化中的应用
任周, 吕元, 冯四全, 宋宪根, 丁云杰
2018, 39(6): 1060-1069  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63019-0
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摘要:
甲醇羰基化是世界上重要的均相催化反应之一.无论是Rh或者Ir体系,虽然碘甲烷的引入会带来腐蚀问题,但是绝大多数的甲醇羰基化反应过程都需要碘甲烷作为助催化剂才能有较好的活性.多年来人们在不断研究非均相羰基化过程(即均相多相化),以避免均相中间歇生产和产物分离的缺点.其中Ir体系的非均相羰基化报道很少,值得关注的是Eastman公司将Ir-La/AC体系成功地应用于非均相的甲醇羰基化过程.基于此,本文试图引入硫元素以提高Ir-La/AC催化剂的羰基化活性,即将含有La和Ir前驱体的硫酸溶液通过共浸渍法制备了高活性的Ir-La-S/AC催化剂,评价了该系列催化剂的性能,并进行了深入的表征.Ir-La-S/AC催化剂的TOF最高可达2760h-1,远远高于Ir-La/AC催化剂1000h-1.HAADF-STEM的结果表明,Ir-La-S/AC催化剂中Ir物种绝大多数处于单分散状态,而Ir-La/AC催化剂中的Ir物种为平均粒径为1.5nm的纳米颗粒状态,说明Ir-La-S/AC催化剂中Ir的使用效率要远远高于Ir-La/AC.其次,NH3-TPD的结果显示在制备过程中硫酸的加入使催化剂的酸性位点大幅度增多,而酸性位可以加速Ir体系机理中CO插入这一决速步骤.目前普遍认为,Ir+物种为甲醇羰基化的活性中心,故通过TPR和原位XPS测试证实了Ir-La-S/AC催化剂比Ir-La/AC中的Ir物种在通过CO/H2=10:1混合气活化后更容易还原到Ir+,而且这又说明在Ir-La-S/AC催化剂中更易发生Ir3+物种还原消除为Ir+物种且同时产生酰基碘(AcI)这一重要循环步骤.所以Ir-La-S/AC催化剂具有更多的酸促进位点,更高的Ir分散度和更多的Ir+活性物种.此外,Ir-La-S/AC催化剂的羰基化活性在66h之后才趋于稳定(1660h-1),通过XRF测试发现该过程中有少量的硫流失,而大部分剩余的硫比较稳定的存在于催化剂表面,且通过ICP-MS结果显示Ir和La没有明显的流失,因此66h之前活性下降主要是由于部分S的流失,而不是金属物种Ir和La流失造成的.总之,我们成功地制备了一种硫促进的双功能Ir-La-S/AC催化剂,这种方法不仅减轻了由液体酸带来的环境污染和设备腐蚀,同时避免了液相铱体系催化剂的循环使用问题.
2-乙基蒽醌在双金属整体式催化剂上的氢化反应:实验和DFT研究
郭燕燕, 代成娜, 雷志刚
2018, 39(6): 1070-1080  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63035-9
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摘要:
过氧化氢(H2O2)是一种绿色化工原料和环境友好氧化剂.目前,超过98%的H2O2是通过蒽醌法生产.蒽醌法主要包括2-乙基蒽醌氢化生成2-乙基氢蒽醌和2-乙基氢蒽醌氧化生成2-乙基蒽醌和H2O2的过程.其中,2-乙基蒽醌氢化是关键步骤.在氢化过程中,生成的2-乙基氢蒽醌和四氢-2-乙基氢蒽醌是目标产物,同时生成许多副产物.目前,Pd颗粒催化剂是广泛使用的催化剂,但是蒽醌氢化过程中,质量传递是主要的控制因素.与颗粒催化剂对比,整体式催化剂可以减弱整个反应的内外扩散,提高反应速率.很多研究结果显示,整体式催化剂的传质优于颗粒催化剂,可以提高催化效率.近期许多研究显示,双金属颗粒催化剂在很多氢化反应中体现出优异的催化性能.本工作制备了双金属整体式催化剂,考察了其在蒽醌氢化过程中的催化性能.
首先,通过浸渍法制备了4种双金属整体式催化剂Pd-M/SiO2/COR (M=Ni,Fe,Mn和Cu)以及Pd/SiO2/COR和Ni/SiO2/COR两种单金属整体式催化剂.催化活性结果显示,Ni/SiO2/COR的H2O2产量低于Pd/SiO2/COR,而且在700℃还原的Pd-Ni/SiO2/COR整体式催化剂在Pd/M=2时取得了最高选择性(95.3%)和H2O2产量(7.5g/L).然后,考察了金属负载量的影响.结果显示,在金属负载量低于0.4%时,随着金属负载量增加,选择性和H2O2产量增加,在金属负载量高于0.4%时,随着金属负载量增加,选择性和H2O2产量降低.
TEM结果表明,添加第二种金属后,双金属整体式催化剂颗粒尺寸变小,分布更均匀.EDS结果显示,双金属形成了合金.H2-TPR结果显示,随着Pd/M比率增加,还原温度降低,说明Pd有助于第二种金属氧化物的还原.这可能是由于Pd表面的氢溢流到第二种金属(Ni,Fe,Mn和Cu)表面.此外,文献结果表明,合金的形成能够抑制PdH的形成.本工作表明添加第二种金属(Ni,Fe,Mn和Cu)后,PdH的峰强度减弱或者峰消失,也说明形成了合金.XPS结果显示,添加第二种金属后,在336.3±0.1和341.4±0.1eV出现了新的Pd3d5/2和Pd3d3/2峰,说明形成了合金.H2-O2滴定结果表明,Pd-Ni/SiO2/COR的Pd分散度和Pd比表面积都高于其他双金属催化剂,说明第二种金属Ni更有利于促进Pd的分散,减弱颗粒集聚,揭示了Q#8197;Pd和Ni之间强烈的相互作用.
DFT计算结果显示,Pd3M1(M=Ni,Fe,Mn和Cu)双金属整体式催化剂和2-乙基蒽醌之间的结合能低于Pd/SiO2/COR和2-乙基蒽醌之间的结合能,但是Pd3M1(M=Ni,Fe和Mn)双金属催化剂和2-乙基氢蒽醌之间的结合能减小得很少,这可能是由于2-乙基蒽醌的C=O和第二种金属之间具有强烈相互作用的缘故.Pd3Cu1双金属催化剂和2-乙基氢蒽醌之间的结合能减小很多,主要是由于Pd3Cu1表面不利于2-乙基氢蒽醌的吸附.
因此,Pd-Ni/SiO2/COR比Pd/SiO2/COR,Ni/SiO2/COR和其他的双金属整体式催化剂具有更高的选择性和H2O2产量,主要是由于合金的形成以及2-乙基氢蒽醌的C=O双键和2-乙基氢蒽醌强烈的相互作用.
Pt/ZnO在室温水相无碱条件下绿色催化苯甲醇选择性氧化
刘娟娟, 邹世辉, 吴嘉超, Hisayoshi Kobayashi, 赵红挺, 范杰
2018, 39(6): 1081-1089  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63022-0
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摘要:
醇类化合物选择性氧化是有机合成中一个非常重要的反应,在精细化工领域具有重要应用.而以水为绿色溶剂,分子氧为绿色氧化剂实现醇类化合物选择性氧化是绿色化学领域的一大挑战.Pt催化剂由于其优异的活化氧气和C-H键的能力在该反应中得到了广泛应用.但是,常规的Pt催化剂通常需要在较高温度和较高氧气压力以及加碱的条件下才能发挥作用,从而引起了催化剂腐蚀等一系列问题.从绿色化学角度出发,进一步优化Pt催化剂,让其能够在室温无碱条件下以空气为氧化剂选择性氧化醇类合成羰基化合物具有重要的研究价值和应用前景.
本文通过化学还原法制备了Pt/ZnO催化剂,系统研究了该催化剂在水相无碱条件下选择性氧化苯甲醇生成苯甲醛反应中的催化性能.X射线电子衍射和透射电镜等结果表明,Pt颗粒较小(3.2±0.3nm),均匀分散在ZnO载体上;X射线光电子能谱表明ZnO载体能够稳定Pt纳米颗粒表面的Pt0物种.上述催化剂在水相苯甲醇选择性氧化反应中,在室温下即可催化空气高选择性氧化苯甲醇到苯甲醛(选择性>99%),并表现出比Pt/SiO2,Pt/Al2O3,Pt/TiO2,Pt/Ca (Mg)-ZSM-5等催化剂更为优异的催化活性.这可归结于Pt和ZnO之间的协同作用.该协同作用通过动力学实验和密度泛函理论计算(DFT)得到了证实.氧分压实验表明,在以空气为氧化剂时,O2的活化并不是限制Pt/ZnO催化活性的关键因素,而动力学同位素效应实验则证实了苯甲醇的C-H键活化是整个反应的决速步骤.通过构建不同的理论模型,分别计算了Pt/ZnO界面处以及纯Pt位点上苯甲醇选择性氧化的反应过程.结果表明,苯甲醇和氧气分子倾向于分别在ZnO和Pt上进行吸附,随后由吸附的氧气分子来活化苯甲醇中的C-H键,进而生成苯甲醛和水.而当ZnO不参与苯甲醇的吸附活化时,整个反应的活化能会大大提高,表明ZnO和Pt之间的协同作用对于整个反应至关重要.此外,Pt/ZnO表现出非常优异的稳定性,循环使用4次后,催化剂结构以及催化活性没有显著变化.
进一步向Pt/ZnO催化剂中引入少量Bi元素对Pt的电子结构进行修饰,可以将Pt/ZnO的催化活性提高3倍.所制备的Pt/Bi-ZnO复合物是目前报道的相同条件下催化苯甲醇选择性氧化反应转化频率(45.1h-1)最高的催化剂.
介质阻挡放电等离子体法制备优异光催化合成过氧化氢性能的氮空穴掺杂石墨相氮化碳
李旭贺, 张健, 周峰, 张洪亮, 白金, 王彦娟, 王海彦
2018, 39(6): 1090-1098  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63046-3
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摘要:
过氧化氢(H2O2)是一种绿色氧化剂,广泛应用于纺织、印染、造纸和医药等行业.目前,工业上采用蒽醌法制备H2O2,它由于需要多步加氢和氧化处理,因此能耗非常大.研究发现,采用贵金属催化剂可以将氢气和氧气直接合成H2O2,但催化剂价格过高,且反应本身存在爆炸风险.近年来,半导体光催化合成H2O2受到广泛关注.研究发现,在水存在下,光电子可以将氧气还原得到H2O2.介质阻挡放电(DBD)等离子体广泛应用于材料合成、挥发性有机物处理、汽车尾气净化和材料表面处理等.石墨相氮化碳(g-C3N4)是新型非金属光催化剂,以其性质稳定、能带适中和制备方便等优点而广受青睐.然而g-C3N4的比表面积和电荷分离效率较低,大大限制了其应用.
本文采用DBD等离子体法在氢气气氛下制备了N空穴掺杂的石墨相氮化碳,采用XRD,N2吸附,UV-Vis,SEM,TEM,XPS,EIS,EPR,O2-TPD及PL等方法对催化剂进行了表征,并考察了N空穴对催化剂结构性质、光学性质及光催化合成H2O2性能的影响.结果显示,当DBD等离子体处理时间小于30min时,所制催化剂颗粒尺寸显著小于焙烧法得到的,因而其比表面积显著提高.N空穴的引入降低了催化剂的能带,提高了可见光区的吸收.此外,N空穴作为反应活性位,既能吸附反应物氧气分子,又能捕获光电子并促进光电子从催化剂向氧气分子转移,进而发生后续还原反应.等离子体处理30min得到的催化剂光催化合成H2O2性能最佳,是纯g-C3N4的11倍.本文为g-C3N4基催化剂的制备提供了一个新方法.
nV-MCM-41催化剂的制备及其催化CO2氧化丙烷脱氢反应性能
韩再芳, 薛旭良, 吴建民, 郎万中, 郭亚军
2018, 39(6): 1099-1109  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63048-7
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摘要:
丙烯是一种重要的化工原料,其下游产品丰富,用途广泛,主要用于生产聚丙烯、丙烯腈、丙烯酸和丁醇等化工产品.丙烯的需求正在不断增长,而传统的丙烯生产方法如蒸汽裂解和石油催化裂化,存在反应温度高、积碳严重且丙烯收率较低等问题.因此研制丙烷脱氢制取丙烯的高效催化剂尤为重要.研究发现,以CO2作为温和氧化剂进行逆水气变换反应可有效促进丙烷脱氢.催化剂主要由活性组分与载体构成,本文选择可用于活化丙烷的钒作为主要活性组分.钒氧化物在载体上的高度分散是提高丙烷脱氢反应活性的关键.MCM-41拥有较大的比表面积和高度有序的介孔结构,可更有效地分散活性位点.本文采用一步法合成了不同钒含量的nV-MCM-41催化剂(1.9-10.6wt%),并研究了其在以下条件下催化丙烷氧化脱氢制丙烯反应性能:600℃,催化剂质量0.2g,进料气体组成C3H8/CO2/Ar (摩尔比)=1/4/4,进料气体总流量15mL/min.其中6.8V-MCM-41催化剂具有最高的活性,其初始丙烷转化率达58%,丙烯选择性达92%,远高于相似反应条件下早期研究的nV-SBA-15催化剂.并在四次反应-再生循环中始终保持其原来的高反应活性.本文借助于N2吸附-脱附、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和热重(TG)等手段探究了不同钒含量的nV-MCM-41催化剂在丙烷脱氢反应中催化性能差异的原因.
氮气吸附-脱附结果表明,所有催化剂都存在典型的高度有序的介孔结构,并没有因为钒组分的掺杂而破坏.nV-MCM-41催化剂拥有较大比表面积,并随钒掺杂量的增加而减小.其中,10.8V-MCM-41催化剂的比表面积急剧下降,可能是由于产生了结晶的V2O5阻塞了孔道.Raman结果表明,当钒负载量超过6.8wt%时,出现了V2O5的结晶峰.另外根据单分散的四面体钒氧化物的特征峰面积发现,6.8V-MCM-41催化剂中钒物种分散度最高,与其具有最高催化活性结果一致.XPS结果也进一步证明6.8V-MCM-41钒物种的分散度最高.在连续反应过程中6.8V-MCM-41催化剂失活较快,可归结于活性钒位点的还原与催化剂表面的积碳.通过氧化再生,可恢复催化剂活性,并且在4次再生循环中始终保持其良好稳定的活性.
新型高效Brönsted酸性离子液体催化剂体系催化烯烃齐聚反应
王国芹, 宋河远, 李瑞云, 李臻, 陈静
2018, 39(6): 1110-1120  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63071-2
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摘要:
烯烃齐聚是重要的化工反应之一,是指低碳烯烃在催化剂存在下发生聚合反应,生成一个或多个单体重复相连的化合物过程.烯烃齐聚反应是一种碳链增长过程,是生成线性α-烯烃的重要过程.齐聚反应主要生成单体的二聚、三聚、四聚或五聚物等低聚体,发生反应的单体主要是低碳烯烃如乙烯、丙烯、正丁烯和异丁烯等.烯烃齐聚产物应用十分广泛,可以用于合成环境友好的液体燃料、长链烷烃润滑油、表面活性剂、增塑剂、汽油柴油添加剂等重要化工产品,同时齐聚产物本身亦是重要的化工中间体和化学试剂.烯烃齐聚反应研究的重点内容是开发新颖高效的催化剂,以满足不同需要,而应用Brönsted酸性功能化离子液体作为催化剂用于齐聚反应的报道较少.
本文考察了新型高效催化剂体系(Brönsted酸性离子液体作为主催化剂,三辛基甲基氯化铵作为助剂)对烯烃齐聚反应的催化性能.合成的Brönsted酸性离子液体通过红外光谱、紫外可见光谱、1H核磁共振和13C核磁共振等进行系列表征,并进一步分析其结构与酸度的关系.结果表明,在相同的反应条件下,Brönsted酸性离子液体[HIMBs]HSO4对烯烃齐聚反应具有最好的催化活性.本文考察了不同离子液体、离子液体用量、不同助剂、助剂用量、反应时间、反应压力、反应温度和不同溶剂等因素对反应的影响,得到了最佳反应条件:催化剂体系为[HIMBs]HSO4与三辛基甲基氯化铵,[HIMBs]HSO4/异丁烯摩尔比为25%,[HIMBs]HSO4/助剂(三辛基甲基氯化铵)摩尔比为20:1,140℃ 8h,反应起始压力为2.0MPa,无添加溶剂(离子液体本身作催化剂和溶剂).在最佳反应条件下对反应物进行了拓展,并研究了催化剂体系的循环使用情况.在最佳反应条件下,异丁烯齐聚反应中反应物转化率为83.21%,三聚物选择性高达35.80%,二聚物选择性为52.02%,四聚物选择性为3.14%.结果表明,本文提出的催化剂体系对烯烃齐聚反应具有较好的催化性能.同时,催化剂体系可以通过静置分层与产物分离,并进行循环使用.根据以往的报道和反应产物分布,推测了烯烃齐聚反应机理.烯烃齐聚反应为酸催化反应,生成碳正离子中间体进行碳链增长,生成齐聚产物.
Zr-Al复合氧化物负载Pt催化甘油氢解制正丙醇
李闯, 何博, 凌雨, 曾志荣, 梁长海
2018, 39(6): 1121-1128  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63068-2
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摘要:
近年来,甘油氢解的研究主要集中在生成1,2-丙二醇和1,3-丙二醇二元醇.与二元醇相比,正丙醇也是一种昂贵的化学品,用过量的甘油直接氢解合成高选择性的正丙醇将是一个非常好的生产途径.因为铂金属具有较强的断C-O键的能力,所以甘油氢解制正丙醇的催化剂主要采用铂作为活性组分.本文以铂为活性组分,采用浸渍法将其负载到不同Zr/Al比的Zr-Al复合氧化物上制得2.5% Pt/ZrxAl1-xOy催化剂,并将其应用到甘油氢解反应中,探讨了Zr/Al比对甘油氢解制正丙醇反应性能的影响.
表征结果发现,锆铝混合氧化物经过400℃焙烧后为无定形态的复合金属氧化物,载体中无单相氧化锆或氧化铝存在.随着锆含量增加,催化剂酸性位点向强酸方向移动.不同Zr/Al比的锆铝混合氧化物负载铂催化剂的评价结果发现,甘油转化率随催化剂中铝含量增加而增大;锆铝比大于5:5时,丙醇(正丙醇+异丙醇)的选择性很高,普遍大于87%;锆铝比至7:3时,正丙醇选择性最高.通过X射线衍射、CO化学吸附、H2程序升温还原、吡啶吸附、氨气程序升温脱附等方法对催化剂进行了表征,发现随着锆铝混合氧化物中锆含量的增加,催化剂的酸性位点向强酸方向移动,调变Zr/Al比促进了铂颗粒的分散,实现了催化剂表面酸量和强酸位点的定向调控.当锆铝比增加至7:3时,催化剂的强酸位点占总酸含量的91.2%.对比催化剂酸性分析和反应结果可知,催化剂表面的总酸含量高有助于甘油转化;强酸位点有助于甘油深度脱水生成丙醇;正丙醇的选择性则可能与NH3脱附温度在580℃处的强酸位和较大的Pt颗粒有关.当Zr/Al比为7:3时,催化剂表面强酸位点占91.2%,而强酸位点的增加有助于甘油的深度脱水形成正丙醇.因此,以10%甘油水溶液为原料,在240℃和6.0MPa初始氢气压力条件下反应8h,甘油转化率和正丙醇的选择性分别达到81.2%和86.3%.催化剂经过5次循环使用后,甘油转化率和丙醇(正丙醇+异丙醇)选择性几乎不变,但正丙醇的选择性略有降低.使用5次后的催化剂表面的总酸量变化不大,但酸分布变化较大,即强酸比例下降.可见,催化剂活性变化小是由于其表面酸量变化不大,而正丙醇选择性下降与强酸位点比例下降有关.
Cs/ZSM-35分子筛催化甲缩醛和乙酸甲酯发生一步法羟醛缩合反应
马占玲, 马现刚, 刘红超, 朱文良, 郭新闻, 刘中民
2018, 39(6): 1129-1137  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63069-4
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摘要:
丙烯酸及其酯是重要的化工原料,广泛应用于涂料、粘结剂、纤维等领域,目前工业上常采用丙烯两段氧化法进行制备.然而该方法以石油基原料丙烯为源头,采用V/Mo/Bi等金属催化剂,不符合可持续发展理念,且存在环境污染及氧气下产物易过度氧化等问题.因此,如何高效、安全、大规模工业化制备丙烯酸及其酯是研究者追求的目标.以乙酸甲酯(MAc)和甲醛为原料,通过羟醛缩合一步制备丙烯酸及其酯是一条完全不同于丙烯氧化法的合成路径,原料均可由煤基甲醇得到,符合我国“富煤、贫油、少气”的基本能源结构,且该方法碳原子利用率为100%,副产物仅为水,属于绿色环保合成路径.
羟醛缩合是典型的碳链增长反应,可在酸性催化剂、碱性催化剂、以及酸碱双功能催化剂存在下发生.碱性催化剂一般为负载型碱金属氧化物,例如以SiO2为载体的负载型Na,K,Cs氧化物催化剂等,但都存在活性组分流失的问题,进而导致催化剂的失活,难以实现工业化.酸碱双功能催化剂是目前研究的热点,由于具有酸催化剂的高选择性和碱催化剂的高活性,其反应性能要远优于单一酸性催化剂和单一碱性催化剂,广大研究者对此进行了深入广泛的研究,目前基本处于实验室阶段.相对而言,目前酸性催化剂上通过羟醛缩合反应制备丙烯酸及其酯的研究工作较少,特别是以固体酸为催化剂进行乙酸甲酯和甲醛气固相反应研究非常少见.
我们以甲缩醛为甲醛源,创新性地采用固体硅铝分子筛为酸性催化剂,催化甲缩醛(DMM)和MAc发生羟醛缩合反应来制备丙烯酸.硅铝分子筛具有较高的活性,可高效地催化羟醛缩合反应,且由于分子筛催化剂具有很好的再生性能,即使催化剂寿命较短,也可采用流化床或移动床等反应器进行工业化,因此存在良好的工业化前景.为了进一步深入研究酸性位和碱性位各自对DMM和MAc羟醛缩合反应的影响,本文以HZSM-35分子筛为载体,采用浸渍法制备不同碱金属铯氧化物含量的催化剂,利用氮气吸附/脱附方法和化学程序升温(NH3-TPD)方法对其孔结构和酸性质进行表征,并进一步考察催化剂的性能.结果表明,微孔体积随着碱金属Cs负载量的增加而逐渐减小,当Cs负载量增加至10wt%时,样品微孔体积从初始0.105cm3/g降至0.063cm3/g.NH3-TPD结果显示,当Cs负载量为1wt%,酸性催化剂载体上的强酸和弱酸活性位被大量碱性氧化物占据;当负载量超过5 wt%时,所有的酸性位均被覆盖.随后考察负载不同碱金属含量分子筛的羟醛缩合反应性能,发现碱金属氧化物的引入不利于羟醛缩合反应的进行,这主要是由于作为甲醛源的DMM只有在酸中心上才能进行分解产生甲醛,促使羟醛缩合反应顺利进行.当采用DMM为甲醛源时,体系中必须有酸性位存在.同时得知,分子筛HZSM-35中强酸和弱酸均是羟醛缩合反应的有效酸性位,但强酸同时催化原料发生类甲醇制烯烃过程,致使大量烃类副产物生成,产生较重的积炭物种.羟醛缩合反应在含有大量弱酸催化剂上(如γ-Al2O3)也可顺利进行,且具有较高的活性和稳定性.
简便方法制备氮掺杂的碳球用作高效非金属氧还原催化剂
童金辉, 李文艳, 薄丽丽, 王文慧, 李玉梁, 李涛, 张琦, 范海燕
2018, 39(6): 1138-1145  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63078-5
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摘要:
随着人们环保意识的不断增强,社会对清洁能源的需求也日益增加.燃料电池具有效率高,燃料来源丰富,可直接将化学能转化成电能且污染小等优点,因而受到了广泛关注.然而,燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)速率较慢,成为提高燃料电池整体效率的制约因素.因此,开发高性能的ORR催化剂,加快ORR反应速率具有非常重要的意义.目前,Pt基催化剂被认为是活性最好的商用ORR电催化剂.尽管此类催化剂具有较高的催化活性和良好的稳定性,但Pt的储量有限,价格高昂,抗燃料毒化性能差,限制了其大规模应用.
近年来,为了减小Pt的用量,降低催化剂成本,人们除了致力于研究贵金属合金催化剂及非贵金属催化剂外,还把目光聚焦在了非金属催化剂,特别是碳及其复合材料的研究上.在众多碳材料中,碳球因具有良好的表面渗透性和较高的机械稳定性而被广泛应用于催化、吸附、药物输送和能量存储及转化等领域中.然而,碳球的表面化学惰性较强,比表面积较低,使其部分应用受到了限制.因此,人们采用了多种方法来调控碳球的物理化学性质.其中,向碳材料中掺入杂原子,尤其是氮原子的方法广受青睐.因为杂原子的掺入会显著增强作为主体的碳原子给电子的能力和表面吸附性质,从而对ORR表现出优异的催化活性和稳定性.
本文以蔗糖作为碳源,三聚氰胺作为氮源,采用水热法及高温热解法制备了一系列氮掺杂的生物质碳球.并对氮掺杂量及热解温度进行了优化.结果表明,石墨化程度及石墨氮含量的提高,能有效地提高催化剂的活性.在优化了的条件下得到的催化剂N0.1C1.9S-900,表现出了比商业Pt/C催化剂更好的ORR催化性能.在0.1 mol/L KOH中,该催化剂催化ORR的起始电位和半波电位分别为-22.6和-133.6 mV (vs.Ag/AgCl),极限电流密度为4.6 mA/cm2,分别比商业Pt/C高出7.2 mV,5.9 mV和0.2 mA/cm2.同时,在经过30000 s的稳定性测试中,N0.1C1.9S-900催化剂的电流损失也远低于Pt/C,表明该催化剂具有良好的稳定性.此外,在抗甲醇毒化实验中,相比于商业Pt/C,N0.1C1.9S-900催化剂对甲醇有更好的耐受性.另外,该催化剂催化的ORR属于高效的4e-途径.可见,该催化剂作为燃料电池的阴极氧还原反应催化剂具有广阔的前景.

  

目录
第39卷第2期目次
2018, 39(2): 0-0
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摘要:
综述
高效氧催化反应中的金属有机骨架材料
何小波, 银凤翔, 王昊, 陈标华, 李国儒
2018, 39(2): 207-227  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63017-7
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摘要:
氧电催化反应包括氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER).作为核心电极反应,这两个反应对诸多能源存储与转换技术(比如燃料电池、金属空气电池以及全水分解制氢等)的能量效率起决定性作用.然而,ORR和OER涉及多个反应步骤、多个电子转移过程以及多相界面传质过程.这些复杂的过程较大程度上限制了ORR和OER的反应速率.从理论和实践两个方面来看,ORR和OER都需要高效电催化剂的参与来促进其反应速率,从而能够最终提高上述能源存储与转换技术的能量转换或利用效率.
目前,以Pt,Pd,Ir,Ru为代表的贵金属基电催化剂具有十分突出的电催化性能.但是,过高的成本和过低的储量始终制约着贵金属基电催化剂在催化ORR和OER反应方面,乃至在能源存储与转换技术领域的规模化应用.因而,开发高效非贵金属基氧电催化剂成为近年来能源存储与转换领域的研究重点之一.在众多已经报道的非贵金属基氧电催化剂中,金属有机骨架材料(MOFs)备受瞩目.MOFs是一类由有机配体和金属节点通过配位键自组装而成的晶态多孔材料.它们具备超高比表面积、超高孔隙率以及规则性纳米孔道.相比较其他传统的多孔材料(比如活性炭、分子筛、介孔炭、介孔氧化硅等),MOFs最主要的优势在于它们的结构和功能可以依据需求通过选择合适的有机配体和金属节点进行便利地设计,或通过后处理进行必要的改性和调节.基于独特的多孔特性以及结构与功能的可设计、可调节性,MOFs在气体分离与存储、异相催化、化学传感、药物输送、环境保护以及能源存储与转化等领域都具有潜在的应用价值.因而,近年来,MOFs备受基础研究领域和工业界的青睐.针对MOFs开展的基础研究和应用开发逐渐成为诸多领域的研究焦点.也正由于MOFs具有的上述优异特性,尤其是结构与功能的可设计、可调节性,使得设计制备基于单纯MOFs以及MOFs衍生材料成为开发高效非贵金属基氧电催化剂的新途径.
本综述首先论述了基于单纯MOFs的氧电催化剂(包括纯MOFs、活性物种修饰的MOFs以及与导电材料构成的复合MOFs)的合成以及它们在ORR或OER催化反应中应用的研究进展.在第二部分论述中,本综述主要针对MOFs衍生的各类氧电催化剂(包括无机微米-纳米结构/多孔碳复合材料、纯多孔碳材料、纯无机微米-纳米结构材料以及单原子型电催化材料)的研究进展进行了简要介绍和讨论.最后,本综述对MOFs基氧电催化剂目前存在的挑战进行了简要分析;同时,也对这类氧电催化剂的通用设计准则以及未来发展方向进行了展望.尽管存在诸多挑战,MOFs始终被认为是极好的"平台"材料.充分利用它们将有利于开发高效且实用的非贵金属基氧电催化剂.
单核第一过渡周期金属水氧化催化剂
王妮, 郑浩铨, 张伟, 曹睿
2018, 39(2): 228-244  doi: 10.1016/S1872-2067(17)63001-8
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摘要:
由于传统化石能源的不可再生性,其储量日益减少.同时,传统化石能源的使用对环境产生了巨大影响,给人类社会带来了一系列问题,包括温室效应、酸雨等.因此,进入二十一世纪以后,人类面临着日益严峻的能源危机和环境问题,寻找清洁、高效的替代能源已经迫在眉睫.太阳能被认为是一种洁净的可再生能源.自然界通过光合作用将太阳能转化为化学能,在这一过程中,水被氧化产生氧气,同时释放出的电子和质子通过和二氧化碳作用生成碳水化合物.为了模拟这一过程,人工光合作用可以直接将电子和质子结合形成氢气.由此生成的氢气也被认为是洁净的可再生能源,因为在其燃烧过程中只产生水.因此,通过光致水分解析氢析氧的人工光合作用受到了越来越广泛的重视.
水分解可以分为两个独立的半反应,即水的氧化析氧和水的还原析氢.水的氧化无论在热力学还是动力学方面,都存在着非常大的阻碍.在热力学上,两分子的水氧化生成一分子氧气需要提供很多能量(△E=1.23 V vs NHE).在动力学上,由于涉及到四个氢原子和两个氧原子的重组,并且涉及到氧氧键形成并释放出一分子氧气,因此水氧化是一个非常缓慢的过程.在自然界,水的氧化主要发生在光合作用中,在绿色植物的叶绿体中完成.通过对光合作用的研究,科学家们发现氧气的产生由光系统Ⅱ(PSⅡ)中的释氧中心来完成.释氧中心是一个钙锰簇合物,由四个锰和一个钙组成(Mn4CaOx).自然界水分解产生氧气的过程给了我们很大启示,对设计和研究高效稳定的水氧化催化剂具有一定的指导意义.
目前水氧化催化剂主要有两大类.第一类是基于材料的水氧化催化剂.该类催化剂的催化效率高,过电势小,但是对水氧化催化过程的机理缺乏深入研究.第二类是基于金属配合物的分子催化剂.相比基于材料的催化剂,分子催化剂具有以下特点:(1)分子催化剂的结构可以通过实验手段表征清楚;(2)可以结合光谱对水氧化的机理进行深入研究,可以对催化过程中间体进行表征;(3)催化剂的结构可以从分子水平上进行修饰,因此可以更好地研究催化效率与结构之间的关系,为设计高效、稳定的催化剂提供必要信息;(4)比较容易组装成分子器件从而应用到实际的水氧化装置中;(5)通过实验与理论的结合,对氧氧成键提出新的认识与理解.
近几年来,一些单核的金属配合物逐渐被发现可以高效、稳定地催化水氧化.研究表明,一些基于钌和铱的催化剂具有良好的催化活性,但由于金属钌和铱储量少、价格昂贵等因素,限制了该类催化剂的大量使用.由于第一过渡系金属元素具有储量丰富、安全无毒、廉价易得等优势,第一过渡周期金属化合物逐渐成为科学家们研究的热点.近几年来,基于第一过渡系金属的水氧化催化剂已经有大量报道.
本文主要总结了近几年来基于第一过渡系金属的单核水氧化分子催化剂.通过对催化机理进行深入的讨论,特别是对氧氧成键的总结,本文将对设计合成结构新颖、具有高催化效率和良好稳定性的水氧化分子催化剂提供理论依据.
快讯
含1,2二取代的苯并咪唑配体的Zn(II)络合物上化学固定CO2转化为环状碳酸酯
Jorge L. S. Milani, Igor S. Oliveira, Pamella A. Dos Santos, Ana K. S. M. Valdo, Felipe T. Martins, Danielle Cangussu, Rafael P. Das Chagas
2018, 39(2): 245-249  doi: 10.1016/S1872-2067(17)62992-9
[摘要]  (77) [HTML全文] (77) [PDF 384KB] (77)
摘要:
合成了一种新的Zn(Ⅱ)配合物ZnCl2L12](1)(L1为2-(2-噻吩)-1-(2-噻吩甲基)-1H-苯并咪唑),并采用NMR和IR光谱、元素分析、ESI-HRMS光谱测定和热重分析等对它进行了表征,其分子结构也由单晶X射线衍射确定.络合物1含有单核四面体Zn(Ⅱ)单元,即所谓的锁定的几何结构,这源自分子中存在弱的分子间S…π和π-π配体间相互作用.通过简易的合成路线即可制得苯并咪唑配体及其与Zn(Ⅱ)配合物.采用CO2与环氧化物耦合生成环状碳酸酯反应考察了1的催化活性,以及反应条件的影响.该配合物在无溶剂条件下可高效催化多种环氧化物的转化,具有较好的转化率,TONs和TOFs.
论文
高效钴氧化物催化羧酸可控加氢制醇
宋松, 王栋, 狄璐, 王传明, 戴卫理, 武光军, 关乃佳, 李兰冬
2018, 39(2): 250-257  doi: 10.1016/S1872-2067(17)63003-1
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摘要:
羧酸选择加氢是合成醇的重要方法,廉价高效的催化体系仍然在探索中.我们利用地球上储量丰富的钴氧化物作为催化剂,通过控制催化反应过程,进而实现高选择性地催化羧酸加氢制备醇.一系列含有不同官能团的羧酸可以被选择加氢至相应的醇类化合物,反应选择性可以满足工业生产要求.通过一系列的谱学表征以及理论计算,我们证实了钴氧化物在羧酸选择加氢反应中的优选活性位点位为氧化亚钴,从而建立了催化剂与反应活性之间的构效关系,为催化剂的理性设计提供指导.
首先,我们选取硬脂酸加氢反应作为模型反应,通过对地球上储量丰富的氧化镍、四氧化三铁和四氧化三钴的催化活性对比发现,四氧化三钴催化剂活性最高,在473 K,2 MPa氢气条件下,反应速率可以达到1.2 mmol/(h·g).对四氧化三钴催化剂进行不同温度的预还原处理,我们发现催化剂的活性得到显著提高,其中573 K还原的样品活性最高,反应速率可以达到7.3 mmol/(h·g),要远远高于贵金属催化剂Pd/C(0.6 mmol/(h·g))和Pt/C(1.8 mmol/(h·g)).
XRD结果表明,随着还原处理温度的不断升高,催化剂由四氧化三钴变为氧化亚钴,最终变为金属态的钴.当还原温度为573 K时,催化剂的组成为单一相氧化亚钴.XPS测试结果表明,当还原温度为573 K时,样品中只含有Co2+的信号峰,并且Co/O的比例为1/1,进一步证明样品是纯态的氧化亚钴.从TEM照片中可以发现,在原始的四氧化三钴样品中观察到晶面间距为0.467和0.244 nm,分别对应四氧化三钴的(111)和(311)晶面.而对于573 K还原的样品只观察到一种晶面间距(0.246 nm),对应氧化亚钴的(111)晶面.
结合表征手段和硬脂酸催化加氢活性结果,我们得出氧化亚钴是573 K还原样品催化羧酸加氢反应的活性位点.理论计算结果进一步证实了这个实验结论.理论计算结果表明,在氧化亚钴(111)晶面,硬脂酸加氢转换为十八醇是非常快速和高效的,然而,对于氢解C-C键和C-O键,需要耗费更高的能量,能垒约为1.2 eV.因为硬脂酸的吸附远远强于十八醇的吸附,硬脂酸的存在会抑制十八醇氢解形成烯烃的反应,只有当硬脂酸酸完全转化为十八醇,才会发生随后的氢解反应.通过控制催化反应过程,可以实现在氧化亚钴(111)晶面高选择性催化酸加氢至醇,也就是反应控制催化过程.基于氧化亚钴在硬脂酸加氢制备十八醇上的优异催化性能,我们进一步研究了一系列含有不同官能团的羧酸化合物的催化加氢,发现氧化亚钴表现出良好的官能团容忍度,可以实现高效、广谱的酸选择加氢至醇反应.
χ-氧化铝的添加对纯的和修饰的γ-氧化铝上H2S氧化反应性能的影响
Svetlana A. Yashnik, Vadim V. Kuznetsov, Zinfer R. Ismagilov
2018, 39(2): 258-274  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63016-5
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摘要:
考察了γ-Al2O3,(γ+χ)-Al2O3和α-Al2O3的结构性质和酸性对其催化H2S直接氧化反应性能(活性、选择性和稳定性)的影响.采用红外光谱(FTIR)与氨-程序升温脱附(NH3-TPD)方法对氧化铝作用下H2S转化为S的反应性能与其酸性进行了比较.结果显示,H2S吸附主要发生在弱Lewis酸位.含有χ相和/或Mg2+修饰的γ-Al2O3样品具有更高浓度的弱Lewis酸位,并表现出更高的催化活性.当氧化铝样品用硫酸溶液处理后,表现出强Lewis酸位性质,且Lewis酸位点数量显著下降.而当用HCl对氧化铝进行修饰时,其对Lewis酸位强度的影响很小,保持着弱Lewis酸位的性质,且其Lewis酸位数量与未修饰的样品相比增加了二倍,但处理过的样品中含有Al-Cl键.用硫酸盐和氯离子修饰过的氧化铝样品在H2S氧化反应中的催化性能均较低.
桥联有机硅烷组装多级孔TS-1聚集体及其催化性能研究
陈丽, 薛腾, 丁键, 吴海虹, 张坤, 吴鹏, 何鸣元
2018, 39(2): 275-282  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63026-8
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摘要:
TS-1分子筛在H2O2参与的有机物分子选择氧化及环氧化反应中具有优异的催化性能,一直广受关注.目前,随着精细化工反应中大分子及液相反应的增多,目前工业上使用的微米级尺寸的沸石晶粒催化材料因其狭窄的孔道和较大的扩散阻力而越来越不能满足工业的实际生产需求与应用.小晶粒纳米沸石由于具有较大的外比表面积和较高的晶内扩散速率,因而在提高催化剂的利用率、增强大分子转化能力、减小深度反应、提高选择性以及降低结焦失活等方面均表现出优越的性能.然而,尺寸低于100 nm的沸石又存在着分离问题.因此,具有高催化活性、又能一步实现分离与回收的纳米沸石聚集体的合成,引起了人们的研究兴趣.目前可以通过使用聚苯乙烯球,球型阴离子交换树脂,硅烷化聚合物,聚合诱导胶体聚集(PICA)等实现纳米沸石聚集体材料的合成.其中采用有机硅烷化试剂来制备多级孔纳米沸石聚集体材料提供了一种新的路线.在沸石晶体表面修饰上有机硅烷化试剂,含Si-C键的有机硅烷化物种可以有效地阻止沸石颗粒的晶体生长,抑制形成大的沸石晶体,从而得到纳米粒子聚集体;同时有机硅烷化物种也对纳米沸石进行了表面改性,提高了其疏水性.特别是在有机相中硅烷化沸石可以形成小的、均匀的、聚集的疏水性的纳米沸石.同时,硅烷化试剂的本质和分子大小是沸石聚集体中多级孔大小的决定性因素.具有可调结构的多级孔沸石晶体可以通过在常规的碱性沸石合成混合物溶液中添加一个两性有机硅表面活性剂而合成.研究发现,固定在沸石纳米晶表面的机硅烷物种Si-C键能部分抑制纳米颗粒进一步聚集成较大的晶体,使用硅烷化晶种的方法可以合成具有高比表面的多级孔ZSM-5等沸石.然而,目前已报道的通过硅烷化晶种方法中得到的多级孔TS-1沸石材料的尺寸仅有100-150 nm,仍不利于分离和回收.近来桥联有机硅烷试剂进入人们的视野——通过干胶法合成多级孔β沸石,然而它们的尺寸也只有300-500 nm,反应分离和回收仍然非常困难.
本文采用有机桥联硅烷化合物作为硅烷化试剂,将TS-1纳米沸石晶种或者晶体组装聚集成大的沸石聚集体.TEM和SEM结果表明,桥联有机硅烷在沸石晶体的聚集和后续的晶体生长中起到了非常有效的作用,成功地将100 nm左右的纳米沸石晶种或晶体桥联/组装成宏观大尺寸(5-40 μm)的沸石聚集体.这些TS-1聚集体具有较好的机械强度,即使连续超声1 h也不会毁坏其结构,表明所得到的沸石材料可以在制备上解决分离困难并且在催化应用上容易回收.XRD,BET以及UV-Vis分析结果表明,引入在TS-1沸石晶种或者晶体溶液中有机硅烷试剂不会影响沸石的晶体结构、微孔体积以及Ti的配位状态.将H2O2作为氧化剂评价TS-1沸石聚集体和传统的纳米TS-1在烯烃环氧化反应中的催化性能,结果表明,硅烷化步骤对小分子己烯氧化的活性和选择性的影响不大,在环己烯大分子的氧化反应里表现出了较高的活性和选择性.
纳米分子筛LTA包裹Ni-Salen配合物为修饰碳糊电极用于电催化氧化肼反应
Seyed Karim Hassaninejad-Darzi
2018, 39(2): 283-296  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63025-6
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摘要:
采用柔性配体法将Ni-salen配合物包裹在纳米分子筛LTA的超笼中,用来修饰碳糊电极制得Ni(Ⅱ)-SalenA/CPE,并采用循环伏安法、计时电流法和计时库仑法考察了该电极电催化氧化0.1 mol/L NaOH溶液中肼反应性能.首先采用无有机模板剂法合成纳米分子筛LTA,并用各种技术进行了表征.XRD和粒径分析结果分别显示LTA晶体的平均粒径为56.1和72nm.在Ni(Ⅱ)-SalenA/CPE电极氧化还原位上水合肼催化氧化反应电子转移系数为0.64,速率常数为1.03×105 cm3/(mol·s).电催化反应机理研究表明,水合肼氧化反应通过它与Ni3+(Salen)O(OH)反应或直接进行电氧化反应.阳极峰电流与扫描速率的平方根呈线性关系,表明反应受扩散控制,水合肼的扩散系数为1.18×10-7 cm2/s.结果表明,Ni(Ⅱ)-SalenA/CPE对水合肼氧化反应表现出高的电催化活性,这是由于纳米分子筛LTA的多孔结构以及Ni(Ⅱ)-Salen的存在.最后研究了水合肼在碱性溶液中Ni(Ⅱ)-SalenA/CPE电极上的氧化反应机理,发现其为四电子过程,第一个电子转移反应为速率控制步骤,然后是一个三电子过程,产生环境友好的最终产物氮气和水.
氧化锆改性的Ni/LaAl11O18用于CO甲烷化反应:催化剂结构对催化性能的影响
艾红梅, 杨洪远, 刘庆, 赵国明, 杨静, 古芳娜
2018, 39(2): 297-308  doi: 10.1016/S1872-2067(17)62995-4
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摘要:
对于煤制天然气,CO甲烷化技术起着重要作用,其研究核心之一是高效催化剂的开发.目前,CO甲烷化催化剂主要采用金属Ni作为活性组分,但存在高温易烧结和易积炭等问题.因此,如何使其同时具有较高的催化活性和高温稳定性是亟待解决的问题.针对这些问题,本文以高热稳定性的六铝酸镧(LaAl11O18)为载体,采用浸渍法担载金属镍,制备了Ni/LaAl11O18催化剂;以高化学惰性的ZrO2为包覆层,采用改进的连续吸附反应法,将ZrO2前驱体液相沉积在Ni/LaAl11O18表面进行改性,制备了具有包覆结构的Ni/LaAl11O18@ZrO2甲烷化催化剂.探讨了ZrO2在Ni/LaAl11O18表面的分布形式以及不同沉积包覆量对催化剂结构、CO甲烷化催化剂活性和稳定性的影响.分别采用氮气物理吸附、X射线衍射、透射电镜、扫描电镜、氢气程序升温还原、氢气程序升温脱附、X射线光电子能谱、热重分析和电感耦合等离子体原子发射光谱法等手段对催化剂进行了系统表征.结果表明,ZrO2纳米粒子能够同时分布在催化剂活性组分和载体表面,增加了金属-载体间相互作用力,高温还原时可以有效抑制活性金属Ni的烧结,成功构筑了具有显著限域结构的包覆型催化剂.同时,ZrO2的包覆不利于金属的氢气化学吸附.在常压,260-600 oC和120 L g-1 h-1条件下对催化剂进行了催化活性测试.结果显示,与未改性的催化剂相比,包覆后催化剂上CO转化率略有降低,但是其CH4选择性明显提高,适量的ZrO2包覆对CH4得率有较好的促进作用,但是过量的ZrO2包覆会因占据过多的金属镍表面使得CO转化率显著降低.在常压,550 oC和120 L g-1 h-1空速的操作条件下所进行的107 h稳定性测试结果表明,包覆型Ni/LaAl11O18@ZrO2催化剂展示了良好的高温稳定性,具有优异的抗烧结和抗积碳性能.这主要是因为包覆型催化剂具有良好的"限域"效应,从而显著改善了催化剂的抗烧结性能;同时较强的金属-载体相互作用以及ZrO2助剂对CO2的活化提升了催化剂的消碳能力,增强了Ni/LaAl11O18@ZrO2催化剂的抗积碳能力.总之,本文构筑了一种高稳定性的包覆型催化剂Ni/LaAl11O18@ZrO2,可广泛应用到其他多种高温反应中.
镁铝酸碱双功能氧化物催化剂上醇胺氧化耦合合成亚胺性能
宋金玲, 于贵阳, 李玺, 杨胥微, 张文祥, 闫文付, 刘钢
2018, 39(2): 309-318  doi: 10.1016/S1872-2067(17)63006-7
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摘要:
亚胺是一类重要的含氮有机化合物,由于具有不饱和C=N双键,可以作为一种有效的氮源,用于一系列含氮衍生物的合成.目前合成亚胺的工艺路线主要是通过羰基化合物和一级胺在强酸条件下缩合;与该路线相比,醇和胺在空气或氧气存在条件下耦合是一条更为绿色的工艺路线,其副产物只有水产生.目前的报道表明,一些具有氧化还原性质的催化剂,如负载型贵金属催化剂和负载型过渡金属氧化物催化剂在该反应中表现出一定催化性能,但很少关注表面酸碱性质对该反应性能的影响.在本工作中,我们尝试将具有酸碱双功能性质的Mg-Al复合氧化物作为催化剂用于该反应中,考察了Mg/Al比、焙烧温度和后处理条件对催化性能的影响.结果显示,Mg/Al=3的催化剂在反应中表现出最优的催化活性;NH3-TPD和CO2-TPD显示,随着镁含量的增加,样品表面碱性中心的数量呈现出先增加后减少的趋势,其中Mg/Al=3的样品表面酸、碱总量最大,而且该样品表面弱碱中心数量也最多;我们通过焙烧和探针分子吸附等后处理手段进一步调控了催化剂表面的酸碱性质,初步结果表明在酸碱中心的协同作用下可以有效地催化醇和胺的氧化耦合反应;其中弱碱性位可能是活化醇的主要活性中心,而醇的氧化是该反应的速控步骤,因此可以推测表面弱碱中心的数量在一定程度上决定着催化剂在该反应中的性能.
MIL-101(Cr)-NH2负载Pd低温催化糠醛高选择性加氢生成四氢糠醇
殷冬冬, 任航星, 李闯, 刘进轩, 梁长海
2018, 39(2): 319-326  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63009-8
[摘要]  (113) [HTML全文] (113) [PDF 599KB] (113)
摘要:
随着资源枯竭和环境污染严重问题的凸显,生物质转化的研究越来越多,特别是生物质催化裂解制备生物燃料及高附加值的化学品.糠醛是一种半纤维素酸解的产物,也是生产糠醇、四氢糠醇、2-甲基呋喃、环戊酮等的重要原料.其中四氢糠醇既可以用于生产其他高附加值化学品,也可以用作生物燃料或者燃料添加剂.虽然Pd/MFI,Ni/SiO2,Pd-Ir/SiO2等催化剂均可用于糠醛选择加氢制备四氢糠醇,但是反应通常在高温高压条件下进行.为此我们希望找到一种在温和条件下使用的高效催化剂.MOF多孔材料具有丰富的孔道结构、极高的比表面积、表面可修饰的特点,还可与其他客体发生相互作用,进而影响催化性能.因此本课题组合成了一种含有氨基的MOF材料MIL-101(Cr)-NH2,进一步利用表面氨基吸附Pd的氯酸盐前体,经还原直接制得负载型催化剂Pd@MIL-101(Cr)-NH2,并用于糠醛选择加氢反应.
本文采用X射线粉末衍射(PXRD)、热重分析(TG)、N2物理吸附-脱附、透射电镜(TEM)等手段表征了所制的MOFs和催化剂.通过将MIL-101(Cr)-NH2和不同Pd@MIL-101(Cr)-NH2的XRD谱与标准谱图对比,发现MIL-101(Cr)-NH2已成功合成,并在催化剂制备过程中和反应之后仍然保持稳定.TG结果表明,所制备MIL-101(Cr)-NH2在低于350℃时结构不会被破环.MIL-101(Cr)-NH2的比表面积可达到1669 m2 g-1,孔容达1.35 cm3 g-1,从而为Pd纳米粒子均匀分散在载体上提供了可能性.各Pd@MIL-101(Cr)-NH2样品的TEM照片我们看出,Pd纳米粒子可均匀分散在MIL-101(Cr)-NH2上,粒径为3-4 nm.对比实验表明,氨基与金属的相互作用有利于Pd纳米粒子分散均匀.
将Pd@MIL-101(Cr)-NH2用于糠醛选择加氢反应时,在40℃,2 MPa H2的温和条件下,反应6 h后糠醛完全转化为四氢糠醇其选择性接近100%.表现出比文献报导的更加优异的催化性能.这得益于高度均匀分散的Pd纳米粒子,以及催化剂载体与Pd纳米粒子的配位作用和π-π相互作用.结果还表明当高于80℃反应时,即有副产物生成,进一步提高反应温度会促进环戊酮的生成.可见,Pd@MIL-101(Cr)-NH2所表现的低温高加氢活性对提高四氢糠醇选择性至关重要.
吡啶基桥联双四唑钌(II)配合物催化酮的转移氢化反应
王连弟, 刘婷婷
2018, 39(2): 327-333  doi: 10.1016/S1872-2067(17)62994-2
[摘要]  (91) [HTML全文] (91) [PDF 520KB] (91)
摘要:
含氮配体具有稳定性好、易于合成等优点,而且其过渡金属配合物表现出较高的催化活性,因而在配位化学和均相催化等研究领域受到了广泛关注.基于吡啶骨架的三齿NNN配体具有良好的配位能力和丰富的配位模式,如吡啶桥联的对称配体2,2':6',2"-三吡啶、2,6-双噁唑啉基吡啶、2,6-双亚胺基吡啶和2,6-双吡唑基吡啶等在有机合成及配合物催化剂制备等方面得到广泛应用.2,6-双四唑基吡啶也是基于吡啶的多齿配体,已被用于合成发光材料或高效回收次锕系元素等,但是其在催化领域的应用较少.
过渡金属催化的不饱和化合物的转移氢化反应具有反应条件温和、不直接使用氢气等优点,因而受到越来越多的关注.一系列优异的配体及配合物在转移氢化反应中脱颖而出,如对甲苯磺酰手性二胺配体、2-甲胺基吡啶钌配合物、配体中含有NH官能团的过渡金属配合物等.我们也报道了几种吡啶基桥联的含氮配体及其钌配合物,并应用于催化酮的转移氢化反应.在此基础上,本文合成了三种连有不同膦配体的2,6-双四唑基吡啶钌配合物,并用于催化酮的转移氢化反应.
N2N6-二对甲苯基-2,6-吡啶二甲酰胺(1)出发,经氯代/环化两步反应合成4-氯吡啶基桥联双四唑化合物(2),配体2与RuCl2(PPh33在对应的反应条件下制得三种连有不同膦配体的2,6-双四唑基吡啶钌配合物(3),其分子结构通过核磁共振波谱和X射线单晶晶体结构测定得到确认.将这三种钌配合物应用于催化酮的转移氢化反应,当催化剂用量为0.5 mol%时,在异丙醇回流条件下,比较连有不同膦配体的2,6-双四唑基吡啶钌配合物的催化活性.膦配体为1,4-双(二苯基膦)丁烷的钌配合物3b表现出更高的催化活性,含有双三苯基膦的钌配合物3a则表现出与3b相当或略低的催化活性,含有1,5-双(二苯基膦)戊烷的钌配合物3c活性最差.以3b为催化剂拓展了一系列酮底物,取代的芳香酮、链状和环状的脂肪酮都可以高效地被还原,大部分酮底物以>95%的转化率还原成相应的醇.含有氯取代基的苯乙酮对反应有较大的加速作用,反应时间更短,转化率更高.由于羰基环的张力,1-四氢萘酮与9-芴酮转化率略低.
结合实验结果与相关文献,提出了一条基于Ru-H活性中间体的内层反应机理:钌配合物在iPrOK作用下生成Ru(Ⅱ)-烷氧基中间体I,随后发生β-H消除反应脱去一分子丙酮得到Ru-H配合物,Ru-H配合物与酮底物作用经过渡态生成另一分子Ru(Ⅱ)-烷氧基中间体,随后异丙醇与烷氧基发生交换生成目标产物,同时生成中间体I完成催化循环.
基于多金属氧酸盐的介孔离子催化剂催化苯一步氧化制苯酚
赵萍萍, 张云云, 李道宽, 崔洪友, 张丽鹏
2018, 39(2): 334-341  doi: 10.1016/S1872-2067(17)62991-7
[摘要]  (92) [HTML全文] (92) [PDF 700KB] (92)
摘要:
苯酚是一种重要的有机化工原料,工业上主要采用合成路线长、原子利用率低、能耗高、环境污染严重的异丙苯法生产.当前,随着绿色化学的普及,H2O2催化苯一步氧化制苯酚受到越来越多的关注.在研究的众多催化剂中,钒取代杂多酸被认为是该反应最有效的催化剂之一.然而,纯杂多酸易溶于H2O2催化的苯羟基化反应体系,导致污染严重、后处理和分离困难.为了获得可回收的固体杂多酸催化剂,通常将其负载于多孔载体上,但这种方法常伴随着活性组分易溶脱,反应速率慢等缺点.因此,在H2O2催化苯一步氧化制苯酚体系中获得高效、可重复使用的杂多酸基固体催化剂仍然是一个挑战.
采用有机单元修饰杂多酸是制备杂多酸基固体催化剂的有效方法.研究表明,有机基团的引入可以有效调控杂多酸的溶解性和氧化还原性.另一方面,催化剂中的疏水微环境也能有效促进非极性底物与催化活性中心的相互作用,提高反应速率,改善催化活性.因此,我们通过离子交换法将对二甲苯型双核咪唑离子液体阳离子与含钒杂多阴离子结合,研究制备了一种具有疏水微环境的介孔杂多酸基离子固体催化剂.采用傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、扫描电镜、N2吸附-脱附和CHN元素分析等表征手段对催化剂进行全面分析.结果表明,该催化剂是一种具有较高比表面积的半无定形疏水有机杂多酸盐.在H2O2催化的苯一步氧化制苯酚反应中引导了液-固两相催化体系,在反应时间1 h,反应温度70 oC,苯酚产率可达到28.9%,与均相纯杂多酸的催化活性基本相当,且催化剂重复使用性能良好.催化剂构效关系和反应动力学研究表明,高比表面积和疏水微环境的构建加快了苯与催化活性中心的相互作用,提高了催化反应速率和产物选择性.同时,咪唑基离子液体阳离子通过分子内的电子相互作用改善了杂多阴离子的氧化还原能力,也赋予固体催化剂更高的催化活性.该研究为H2O2催化苯一步氧化制苯酚反应提供了一种制备简单,经济高效,可重复使用的杂多酸基固体催化剂.
高活性甲醇氧化电催化剂Pt-Pd纳米合金的组分可控合成
赵海强, 齐卫宏, 周鑫峰, 吴灏斐, 李业军
2018, 39(2): 342-349  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63020-7
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摘要:
Pt纳米粒子由于其本身独特的物理、化学性质以及能够同时促进氧化和还原反应,在工业生产和商业设备中(尤其在直接甲醇燃料电池中)广泛用作重要的电催化剂.然而,Pt作为贵金属在自然界中的含量极其稀少,价格昂贵;另外,甲醇氧化反应中产生的中间产物CO很容易市Pt纳米粒子中毒而失活.因此,迫切需要一种Pt用量少,催化性能高的材料.
一制备高活性比表面积的Pt纳米颗粒,可以有效提高Pt利用率.另外,调控纳米粒子使其裸露特定的晶面、边、角以及缺陷也能有效提升催化性能.还可以采用Pt纳米粒子结合其它金属元素形成双金属合金,如,Pt-M(M=Pd,Au,Ag,Ru,Fe,Co,Ni,等)催化剂,可以在减少Pt元素用量的同时有效提升催化活性.在众多可供选择的元素中,Pd相对于Pt价格低廉,但两者具有相近的物理、化学性质以及较高的电催化性能,使Pt-Pd纳米合金呈现十分优异的电催化性能.研究表明,Pt-Pd纳米合金在酸性和CO环境中能有效催化有机小分子电氧化过程.另外,在酸性环境中,用Pd替代Cu,Ag,Co或Ni,可以有效减少催化剂的腐蚀.
本文在乙二醇溶液中同时还原K2PtCl4和Na2PdCl4,在110℃反应5 h制备出超细的Pt-Pd纳米合金.通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)以及能谱仪(EDS)对合金进行表征,从而确定产物为尺寸4 nm左右的Pt-Pd纳米合金,且通过改变金属前驱体的投料比可以有效调控Pt-Pd合金组分(按元素比例分别表示为Pt1Pd3,Pt1Pd1,Pt3Pd1).采用循环伏安法、线性扫描伏安法以及计时安培法等多种手段测试样品在0.5 mol/L H2SO4和0.5 mol/L CH3OH的酸性环境中(50 mV/s)电化学性能,并与商业Pt/C进行比较.结果表明,合金的催化性能和组分密切相关,当Pt元素的含量为75%左右时,Pt-Pd纳米合金表现出最佳的催化活性和稳定性,其中Pt3Pd1的电催化质量活性可达商业Pt/C的7倍之多.我们把Pt-Pd纳米合金的催化性能对其组分的依赖性归结为甲醇氧化反应中的双官能团机制,反应中,Pt可有效催化甲醇脱氢产生Pt-CO,Pd则催化水脱氢形成Pd-OH.当Pd含量减少时,Pt表面的水脱氢反应只有在高电位才能发生,从而降低催化效率;而Pd含量过多,则会抑制Pt催化甲醇的脱氢反应,使催化效率大大降低.因此,只有适宜Pt/Pd比例,才能有效提升催化效率.