化學(xué)所在多相催化劑的構(gòu)筑與性能研究中取得系列進展

　　多相催化在化學(xué)化工中具有廣泛的應(yīng)用，超過80%的產(chǎn)品需要通過多相催化反應(yīng)得到。隨著研究人員對催化本質(zhì)理解的加深，研究手段的提高，創(chuàng)造新催化劑結(jié)構(gòu)能力的增強，人們對多相催化的研究已經(jīng)從宏觀描述發(fā)展到納米尺度和分子水平。通過多相催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計，進而調(diào)控催化反應(yīng)的進程，得到理想的產(chǎn)物成為該領(lǐng)域最前沿的研究方向。在國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和化學(xué)研究所的大力支持下，化學(xué)所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點實驗室研究員宋衛(wèi)國課題組科研人員在多相催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計與構(gòu)筑及催化性能研究方面取得系列進展。

　　傳質(zhì)在多相催化反應(yīng)過程中起著非常重要的作用，攪拌是傳質(zhì)的主要手段之一。然而傳統(tǒng)的機械攪拌或磁子攪拌方式剪切力大，容易破壞催化劑整體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其循環(huán)穩(wěn)定性下降。此外，傳統(tǒng)攪拌方式無法在微乳液或微液滴中使用，而實現(xiàn)這種微反應(yīng)體系中的混合也是研究的一大挑戰(zhàn)。針對上述問題，該實驗室科研人員提出納米磁子的設(shè)想，以納米磁子的可控構(gòu)筑為出發(fā)點，發(fā)展了不同結(jié)構(gòu)和類型的納米磁子的制備方法，進而與催化活性中心復(fù)合，構(gòu)筑了一類結(jié)構(gòu)新穎的納米磁子催化劑。先后制備了鏈狀和梭形的納米磁子催化劑，在外磁場驅(qū)動下，成功實現(xiàn)了其在溶液相和微液滴中的高效催化反應(yīng)（圖1）。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2661-2664 和Chem. Commun. 2016, 52, 1575-1578 (Inside back cover)。

　　碳材料作為一種廉價易得的非金屬催化劑，可以替代傳統(tǒng)的金屬催化劑應(yīng)用于傅克反應(yīng)材料、氧化反應(yīng)、碳-氫活化等相關(guān)反應(yīng)中。大比表面積和雜原子可控摻雜是提高碳催化劑催化活性的關(guān)鍵。在最近的研究中，該實驗室科研人員在制備鏈狀納米磁子基礎(chǔ)上，在金屬有機框架化合物ZIF-67表面包覆一層聚（六氯三聚磷腈-雙酚硫），經(jīng)高溫碳化和酸刻蝕后成功構(gòu)筑了氮/磷/硫三種雜原子共摻雜的中空碳殼非金屬催化劑。該碳催化劑具有比表面積大（1020 m2/g）、氮/磷/硫高度均勻共摻雜和表面超親水性等特點，實現(xiàn)了水體系下芳香烷烴的高效選擇性催化氧化（圖2）。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4016-4020上，并被選為當期的Hot paper。

圖1 一維鏈狀納米磁子催化劑制備示意圖及在微液滴體系中催化反應(yīng)效果圖

圖2 氮/磷/硫共摻雜中空碳殼催化劑制備流程圖及元素分布圖