納米金剛石的改性及其在催化反應(yīng)中的應(yīng)用研究取得進展

　　在傳統(tǒng)工業(yè)催化領(lǐng)域中，金屬基催化材料占據(jù)主導(dǎo)地位，但是其不可再生性以及對環(huán)境的污染性是金屬材料潛在的弱點。如何開發(fā)出具有可替代性的綠色能源催化劑是近些年來研究的熱點與重點。納米金剛石是一類sp3雜化的非金屬碳材料，通過簡單控制煅燒溫度（900~1500℃），可得到巴基型納米金剛石（sp2/sp3 雜化）和洋蔥碳（sp2）兩種延伸性碳材料。納米金剛石表面含有一定量的sp2 雜化碳，這一獨特的sp2/sp3結(jié)構(gòu)使得納米金剛石及其衍生物有著比傳統(tǒng)碳材料更獨特的物理化學(xué)性質(zhì)。

　　中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室催化材料研究部研究員蘇黨生及其團隊將其應(yīng)用到催化領(lǐng)域中，發(fā)現(xiàn)在一些重要的工業(yè)催化反應(yīng)中表現(xiàn)出可比擬傳統(tǒng)金屬催化劑的優(yōu)異性能。例如洋蔥碳在液相酚類選擇性氧化制醌類反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性與穩(wěn)定性。近期他們又相繼發(fā)現(xiàn)對這三類材料進行雜原子（包括N、B、P等）調(diào)控可以有效改變其電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，優(yōu)化自身結(jié)構(gòu)，并進一步提高催化反應(yīng)的性能和擴大非金屬催化劑的應(yīng)用范圍。研究表明硼酸鹽與磷酸鹽改性的巴基型納米金剛石在氣相丙烷氧化脫氫反應(yīng)中雜原子基團通過覆蓋結(jié)構(gòu)缺陷位，抑制親電氧物種的形成從而提高目標(biāo)產(chǎn)物丙烯的選擇性。此外，硼、氮以及磷改性的洋蔥碳作為非金屬催化劑甚至在電催化氧還原反應(yīng)中表現(xiàn)出比商業(yè)Pt/C更好的抗甲醇性與穩(wěn)定性。不僅如此，利用巴基型納米金剛石獨特的核殼結(jié)構(gòu)在固定Pd納米顆粒以及在提高CO催化氧化反應(yīng)中同樣起到重要的作用。不同于sp2雜化的碳材料，sp3雜化的碳材料在催化應(yīng)用中尚屬于開始階段，催化材料研究部的相關(guān)工作屬于國際領(lǐng)先，得到很多國際同行的關(guān)注，相關(guān)工作已發(fā)表在：ACS Catalysis 5(2015) 5921、ACS Catalysis 5(2015) 2436、Chemical Communications 51(2015) 9145、Chemical Communications 51(2015) 13086、Journal of Materials Chemistry A 3(2015) 21805、Journal of Materials Chemistry A 3(2015) DOI: 10.1039/C5TA09539E、ChemSusChem 8(2015) 2872、ChemCatChem 7(2015) 2840、Angewandte Chemie International Edition (2015) DOI: 10.1002/anie.201507821。該工作已申請專利一項，專利號：201510154630.9。

納米金剛石及其衍生物的改性示意圖及其在不同催化反應(yīng)中的應(yīng)用