水熱法從生物質(zhì)制備高效碳催化劑研究獲進展

　　生物質(zhì)廣義為一切有機的可以生長的物質(zhì)，狹義指植物的主要組分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。全球每年光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)約1700億噸，所含的能量相當(dāng)于5355億桶原油，遠高于2015年的原油消耗量（約350億桶）。目前生物質(zhì)的利用有限，僅為3%-4%，其開發(fā)利用很有前景。目前關(guān)于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的研究主要集中在轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)品，研究發(fā)現(xiàn)水熱法可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為功能化的碳材料，能有效地用于重金屬離子的吸附和電化學(xué)等領(lǐng)域。該方法通常在200℃左右進行，具有條件溫和及能耗低等顯著優(yōu)點。然而由于水熱法制備的碳材料通常比表面積很低，很難用于催化領(lǐng)域。

　　近日，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和博士溫國棟與大連化學(xué)物理研究所研究員田志堅合作發(fā)現(xiàn)通過水熱碳化法可以制備出較高比表面的表面含氧基團富集的功能化碳催化劑材料。在制備過程中調(diào)變初始原料濃度、加入表面活性劑、改變碳化溫度和加入功能小分子等方法可以控制碳材料的形貌和尺寸。表面富集羰基和羥基的碳材料可高效地催化硝基苯液相還原反應(yīng)，其性能優(yōu)于多種常用的碳材料如碳納米管、納米金剛石和石墨等。研究發(fā)現(xiàn)球狀的形貌具有較好的催化性能，而且球尺寸越小，其性能越好，這可能跟較小的球尺寸有利于活性位的暴露有關(guān)。羧基酸性基團功能化的碳材料可以很好地用于環(huán)己酮肟的貝克曼液相重排反應(yīng)中，該碳材料較常規(guī)的固體酸催化劑（如HY和ZSM-5分子篩）給出了顯著高的產(chǎn)物選擇性。研究發(fā)現(xiàn)，羧基這類弱的Brønsted酸易于反應(yīng)的進行，而分子篩上的強酸位和弱的Lewis酸位導(dǎo)致了副產(chǎn)物的生成。這些結(jié)果說明盡管碳材料上本征的含氧酸性基團的酸性較弱，然而它卻適合一些弱Brønsted酸催化的反應(yīng)，能給出較傳統(tǒng)固體酸催化劑優(yōu)異的性能。這些結(jié)果在線發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》（Guodong Wen, Bolun Wang, et. al. Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201609047)。

　　近年來，該課題組在該領(lǐng)域做了系列工作(Angew Chem Int Ed, 2015, 54, 4105; ACS Catal, 2015, 5, 3600; ChemCatChem, 2014, 6, 1558; Phys Chem Chem Phys, 2015, 17, 1567; Catal Sci Technol, 2014, 4, 4183; 催化學(xué)報, 2014, 35, 914)，研究工作得到了國家自然基金、遼寧省博士啟動基金、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)基金等項目的支持。

　　圖：生物質(zhì)葡萄糖通過水熱碳化法制備出表面含氧基團富集的碳催化材料的示意圖。表面富集羰基和羥基的碳材料可有效地用于硝基苯還原反應(yīng)，而表面富集羧基的碳材料可用于Beckmann重排反應(yīng)。