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前沿科技 | 中科院科学家在选择性加氢催化转化研究方面取得进展

信息来源:管理员 发布时间:2019/2/10 14:41:53
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近期,中国科学院科学家团队——合肥物质科学研究院固体物理研究所环境与能源纳米材料中心研究人员在选择性加氢催化转化方面取得新进展,构筑了具有超高催化活性、选择性以及稳定性的包含Co-Nx活性位点的非贵金属催化剂。相关研究成果发表在国际期刊《先进材料》上(Adv.Mater. 2019, DOI: 10.1002/adma.201808341)。

  生物质是地球上最丰富的可再生资源之一,在合适催化剂的作用下,可以转化成燃料和化学品,用来取代化石资源。由于其丰富的含氧量,生物质衍生平台分子的选择性加氢被认为是生物质精细化工生产中应用最广泛的方法之一。目前加氢催化剂的活性组分主要依赖于贵金属(Pt,Au,Pd,Ru等)活性位,但其储量低且价格昂贵,严重制约了其规模化应用。因此,开发低成本的非贵金属高活性加氢催化剂是实现生物质应用的关键。

  传统负载型非贵金属纳米催化剂由于形貌和尺寸均一性差、活性位点单一,导致了其在加氢催化过程中的活性、选择性以及稳定性差。近期,基于金属有机框架(MOFs)材料制备低成本、高催化活性的金属-氮-碳结构的催化剂体系得到了研究者的广泛关注。但是,MOFs的高温直接碳化会导致N含量和孔隙率下降,影响材料的催化性能。因此,需要构筑合适的纳米结构去保持材料的催化活性。ZIF-67前驱体衍生的N掺杂碳纳米管包裹3d过渡金属纳米催化剂,由于其独特的结构和成分设计,已被证明是一种高效的电催化剂。研究者们将其优异的电催化性能主要归因于化学组分(适当的N掺杂)和多级中空结构的协同作用。然而,基于这种特殊结构的金属-氮-碳材料原位衍生的过渡金属纳米颗粒的催化潜力还未被充分挖掘,特别是对于传统热催化的研究鲜有报道。

  为此,研究人员采用两步热解法制备了ZIF-67衍生N掺杂碳纳米管包裹的Co纳米颗粒催化剂。由于高温分步热解使得碳纳米管的生长更有序,同时一维碳纳米管结构可有效阻止碳化过程中Co颗粒的增大和团聚,使得Co纳米颗粒被高度均匀地包裹在N掺杂碳纳米管的顶端,平均颗粒尺寸为10.4nm,如图所示。分析表明,所构筑的催化剂存在大量的Co-Nx活性位,进而导致非贵金属催化剂具有超高的催化活性、选择性以及稳定性。进一步分析表明,这类具有高活性位点的催化剂甚至可以在室温下选择性地将含有醛基、酮基、羧基和硝基官能团的生物质基化合物选择性加氢转化为相应的高附加值精细化学品,其催化性能达到甚至超过现有贵金属催化剂的水平。相关研究为制备具有高效非贵金属基加氢催化材料提供了新的、有效的途径,并为新的加氢活性位的理解提供了实验基础。

  该项工作得到国家自然科学基金的资助。


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(a-d) 材料SEM图,HAADF-STEM图和HRTEM图;(e-f) Co 2p and N 1s 谱图;(g) XANES和

EXAFS谱图。

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