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Chinese Journal of Catalysis
2017, Vol.38 No.3
Online: 2017-03-18


本期栏目: 目录 | 能源与环境新型催化剂专栏 | 论文 |

在2016年北京举行的世界催化大会上,与会者一致认为,创造新型能源,保护环境,使世界可持续发展的关键是催化.因此,我们需要进一步加强催化科学技术研究,以实现更多的科技变革.本专栏邀请到了4篇有关生物质转化、CO2转化、甲苯及其衍生物光催化氧化方面的论文,以展示能源与环境多相催化研究领域的最新进展.

 
目录
选择合并摘要  |    引用本文 

第38卷第3期目次
2017 Vol. 38 (3): 0-0 [摘要] ( 8 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 0KB] ( 1 )    DOI:

能源与环境新型催化剂专栏
选择合并摘要  |    引用本文 
Professor Atsushi Fukuoka
Preface to Special Column on Novel Catalysts for Energy and Environmental Issues
2017 Vol. 38 (3): 419-419 [摘要] ( 8 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 213KB] ( 11 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62803-1

选择合并摘要  |    引用本文 
Hirokazu Kobayashi, Shogo Ito, Kenji Hara, Atsushi Fukuoka
中孔硫酸化氧化锆-氧化硅催化甘油转化制丙烯醛
2017 Vol. 38 (3): 420-425 [摘要] ( 11 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 628KB] ( 25 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62564-0

一种中孔硫酸化的、只含Brø;nsted酸位的氧化锆-氧化硅催化剂可将甘油转化为丙烯醛,其产率和选择性分别为81%和82%.即使在低温(523 K)下,产物时空收率可高达9.0 mmol h-1 gcat-1.本催化剂的活性和选择性高于典型的硫酸化的ZrO2催化剂.氧化硅稀释了锆物种而使得催化剂酸性更温和,较大的孔径使得传质更快,因此催化剂性能提高.

选择合并摘要  |    引用本文 
Asep Bayu, Surachai Karnjanakom, Katsuki Kusakabe, Abuliti Abudula, Guoqing Guan
固定化Sn/氯化胆硷络合物制备Sn-β分子筛催化剂用于葡萄糖-果糖异构化反应
2017 Vol. 38 (3): 426-433 [摘要] ( 13 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1357KB] ( 30 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62754-2

在水溶液中锡盐与β分子筛金属化过程中很容易水解为氢氧化物,因此,制备高度分散的、以孤立形式存在的锡物种非常具有挑战性.我们先采用SnCl2/氯化胆硷(ChCl)络合物将锡物种固定在高硅的商品化的β分子筛上,然后焙烧就可很方便地在水溶液条件下制得了高度分散于β分子筛上的锡物种.电镜照片、紫外-可见光光谱和X射线衍射结果证实了这一点.ChCl的存在促进了锡物种与分子筛的结合.担载(1-2)wt%Sn的β分子筛在葡萄糖-果糖异构化反应中表现出较高的催化活性和选择性.

选择合并摘要  |    引用本文 
Ken Motokura, Masaki Naijo, Sho Yamaguchi, Akimitsu Miyaji, Toshihide Baba
氟催化废弃硅基还原剂与CO2还原转化反应
2017 Vol. 38 (3): 434-439 [摘要] ( 6 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 834KB] ( 22 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62800-6

CO2是最重要的可再生碳源之一.为了将CO2转化为有用的有机化合物,我们研究了二种模型硅基“废”材料—乙硅烷和硅粉的反应活性.在这些反应中,氟盐的催化活性最高,在常压、在质子源水和硅基还原剂的存在下,CO2可转化为甲酸.原位NMR和动力学分析表明,含氢硅烷和五配位的硅物种分别是反应中间物和活性物种.

选择合并摘要  |    引用本文 
袁博, 张宝, 王志亮, 卢胜梅, 李军, 刘龑, 李灿
钨酸铋担载钯纳米粒子光催化甲苯及其衍生物到醛的氧化反应
2017 Vol. 38 (3): 440-446 [摘要] ( 12 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 854KB] ( 20 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62757-8

甲苯及其衍生物的选择性氧化是化学工业中重要的一环.氧化产物醛、酮和酸类化合物是各种农药、染料、防腐剂、阻燃剂、香料、塑料的合成中间体.在传统的化工过程中,通常在苛刻的条件下,如高温、高压以及酸性溶剂中进行甲苯的选择性氧化.光催化有机合成作为一种“绿色”的合成方法受到越来越多的关注.我们发现钨酸铋作为可见光响应的光催化剂,可以利用氧气作为氧化剂,对甲苯及其衍生物进行催化氧化反应.通过调节水热法合成钨酸铋的酸碱条件,控制其成核生长过程,改变其形貌,发现在pH值为0.49时,得到花状钨酸铋粉末活性最高.X射线衍射、扫描电镜、紫外可见吸收光谱和比表面测定结果发现,花状钨酸铋粉末表现出最佳的甲苯氧化活性很可能是与它最大的比表面积有关系.为了进一步提高催化的活性,我们将助催化剂担载在钨酸铋粉末上,发现Pd的担载量为0.1 wt%时甲苯氧化反应活性最高.将邻、间、对位甲基取代以及对位甲氧基和氯取代的甲苯衍生物进行反应,发现均可高选择性地得到目标产物.在加入电子牺牲剂硝酸银和空穴牺牲剂草酸铵到反应体系后,发现反应被完全禁阻,说明在甲苯氧化反应过程中电子和空穴都起到了相应的作用.通过电化学测试发现,钯作为助催化剂担载在钨酸铋表面后,产生更强的氧化和还原信号,说明其在电子和空穴发生反应的过程中都起到了相应的促进作用.由此推测,在甲苯的氧化反应中,钨酸铋材料表面吸收可见光,产生光生电子和空穴,而钯的担载则促进了电子和空穴进行氧气还原和甲苯氧化的过程.

论文
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唐旭, 倪良, 韩娟, 王赟
三元磁性氮化碳复合光催化剂的制备和表征及其在可见光下去除四环素的应用
2017 Vol. 38 (3): 447-457 [摘要] ( 7 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1060KB] ( 16 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62591-3

g-C3N4作为一种新型有机半导体材料,由于其良好的化学稳定性和可直接利用可见光等优点已经引起了人们的广泛关注,近年来已逐渐将其应用于光催化氧化环境污染物等方面.同时在实际应用中因其光能利用率低、难回收、电子-空穴易复合等缺点也受到了限制.研究发现将四氧化三铁与氮化碳相结合,可以有效提高复合催化剂的光催化活性,而且可回收再利用很大程度上降低成本.采用光催化氧化技术处理实际环境污染物废水时,将光催化剂投入到废水中后,环境及水体的温度往往会对催化剂的催化活性产生一定的影响,导致无法实现最佳的光催化处理效果.制备一种催化活性不受外界温度影响的智能光催化材料是当今面临的一项挑战.我们研究制备了一种具有温度响应的磁性复合光催化剂PNIPAM/Fe3O4/g-C3N4,其可根据外界温度的不同而表现出不同的光催化活性.温敏型聚合物PNIPAM是一类结构、性能和形态随温度变化而做出响应的功能材料,将光催化材料与温敏型PNIPAM智能高分子材料相结合,实现了智能催化的效果.PNIPAM温敏聚合物在水溶液中存在一个低临界溶解温度,其可以作为开关,通过改变温度实现对光催化过程的控制,达到过程智能化的效果.随着温度的改变,温敏聚合物的溶解状态在临界点附近会发生变化.不同温度对催化速率影响很大,当温度升高到临界值以上,催化反应速率降低很多;当温度降低到临界值以下,催化活性随之升高.这样不仅随时控制反应的进行,还可以通过改变温度控制反应速率.同时,温敏聚合层又相当于一个保护层,可以增强其抗腐蚀能力,提高对内部光催化材料的保护,进而提高其稳定性. 众所周知四环素等抗生素类药物生产废水,属于高浓度有机废水,具有一定的毒性,一般较难处理. 我们将制备的PNIPAM/Fe3O4/g-C3N4复合光催化材料用于四环素废水的处理取得了很好的效果.
XRD,FT-IR、Raman等表征手段充分证明了我们所制备的三元复合材料PNIPAM/Fe3O4/g-C3N4的组成及各个组分的存在.并对PNIPAM/Fe3O4/g-C3N4复合光催化剂在不同温度(20和45℃)条件下处理四环素废水进行了系统的研究,从20和45℃的吸附曲线结果可以看出,低温时PNIPAM/Fe3O4/g-C3N4的吸附性较强,高温时吸附较差.同时PNIPAM/Fe3O4/g-C3N4低温时具有较高的催化活性,高温时催化活性较低.经过分析可知这种对温度响应的特殊性能与PNIPAM的亲水及疏水性密切相关.另外,通过对PNIPAM/Fe3O4/g-C3N4复合材料的VSM测试及5次循环实验测试可以看出,PNIPAM/Fe3O4/g-C3N4复合材料由于Fe3O4的引入而表现出较好的磁性,且在外加磁铁的作用下很容易实现分离回收.另外,PNIPAM/Fe3O4/g-C3N4在经过5次重复利用后其催化活性几乎没有减退,说明催化剂具有很好的稳定性.另一方面,说明我们的复合光催化剂在工业废水等污染治理方面有一定的潜在应用价值.

选择合并摘要  |    引用本文 
Ezzat Rafiee, Maryam Khodayari
从三聚氰胺制得工业用深度脱硫的绿色纳米催化剂PMoV/Fe3O4/g-C3N4:合成与表征
2017 Vol. 38 (3): 458-468 [摘要] ( 3 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1301KB] ( 13 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62548-2

采用简便的化学浸渍法制备了新型磁性可分离的纳米复合物H5PMo10V2O40/Fe3O4/g-C3N4(PMoV/Fe3O4/g-C3N4),并进行了详细的表征,采用电位滴定法测定了催化剂酸性.该PMoV/Fe3O4/g-C3N4纳米复合物在硫化物选择氧化为砜或亚砜的反应中表现出较高的催化活性;考察了在优化反应条件下,它在含硫(包括二苯并噻吩DBT)模拟油或真实石油的催化氧化反应中的催化性能;特别考察了各种含氮化合物,以及1-环和2-环芳香烃作为共溶剂对DBT脱硫效果的影响.采用外加磁场即可方便地将该催化剂从反应混合物中分离和回收.选取最好的萃取剂,通过简单的倾滤就可很容易地将剩余反应物从产物中分离出来.该纳米催化剂具有高催化活性,且容易重复使用,至少可以重复使用4次而未见催化活性明显下降.

选择合并摘要  |    引用本文 
Arash Ghorbani-Choghamarani, Zahra Taherinia
肽纳米纤维固载Pd纳米颗粒为催化剂、羟基苯并三唑为新型苯基化试剂合成联芳
2017 Vol. 38 (3): 469-474 [摘要] ( 6 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1861KB] ( 19 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62586-X

研究了肽纳米纤维负载的Pd纳米颗粒催化卤代芳烃与羟基苯并三唑的直接偶合反应.结果表明,该偶合反应可在简单、绿色及温和的条件下进行,并可以较高产率生成相应的联芳.本文首次采用羟基苯并三唑作为苯基化试剂,且将肽纳米纤维作为一种新型可循环使用的载体,因而对现有合成方法是一个有益补充.

选择合并摘要  |    引用本文 
Shirish S. Punde, Bruce J. Tatarchuk
Pt-CeO2/SiO2催化剂用于室温湿空气中CO氧化反应
2017 Vol. 38 (3): 475-488 [摘要] ( 7 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 4613KB] ( 18 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62749-9

开发室温CO氧化催化剂的主要挑战是CO自中毒和慢的表面动力学,同时湿气的存在也可导致催化剂失活.本文开发了高活性CeO2促进的Pt基催化剂4%Pt-12%CeO2/SiO2,用于室温湿气(湿度10%-90%,25℃)中CO氧化反应,在低CO浓度(< 500 ppm)和高CO浓度(> 2500 ppm)时,CO转化率高于99%.优化了催化剂制备变量,如Pt和CeO2负载量、CeO2沉积方法、CeO2和Pt前驱体的干燥和焙烧条件.采用CO/H2化学吸附、O2-H2滴定、X射线衍射和BET比表面积测定表征了催化剂的表面特性,并将其与催化剂活性相关联.
结果表明,CeO2沉积方法对催化剂活性影响显著,当用浸渍法沉积CeO2时,所得催化剂的反应速率(5.77 μmol/g/s)比用沉积沉淀法(1.96 μmol g-1 s-1)或CeO2嫁接法(1.31 μmol g-1 s-1)制得催化剂的高3倍.O2-H2滴定结果表明,当用浸渍法沉积CeO2时,CeO2和Pt的紧密结合导致了催化剂的高活性.催化剂载体的选择也非常重要,硅胶负载的催化剂活性(5.77 μmol g-1 s-1)是氧化铝负载的(1.05 μmol g-1 s-1)5倍.当反应受内扩散控制时,催化剂载体的粒径和孔结构影响非常大.另外,CeO2和Pt前驱体的干燥和焙烧条件对催化剂活性的影响至关重要.当Pt和CeO2含量分别大于2.5和15 wt%时,所得催化剂在室温条件下活性高(TOF > 0.02 s-1),稳定性好(反应15 h,CO转化率 ≥ 99%).

选择合并摘要  |    引用本文 
苏进展, 张涛, 王璐, 师进文, 陈玉彬
核壳结构CdS/ZnS微米球表面处理与光催化制氢性能的关系
2017 Vol. 38 (3): 489-497 [摘要] ( 4 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1612KB] ( 15 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62769-4

具有高活性和稳定性的半导体光催化材料是太阳能光催化制氢领域的研究热点,其中CdS胶体颗粒催化剂因其合适的禁带宽度和带边位置以及较低的原料价格而广受关注.但它在水溶液中不稳定,易受光腐蚀,因而限制了其应用.目前人们致力于用各种方法提高其稳定性,包括各种纳米结构的应用、复合其他催化剂材料以及不同晶相结构复合.ZnS是一种宽禁宽半导体,禁带宽度为3.6 eV,常被用来与CdS形成固溶体调控其能带结构,从而提高其性能和稳定性.其中核壳结构CdS/ZnS异质结具有骑跨型(I型)能带结构,具有特殊的光学和电学性质,在量子点LED和量子点生物荧光显示剂方面获得关注和应用,同时也显示了良好的光催化性能.研究人员对核壳结构CdS/ZnS异质结材料中ZnS壳层厚度对其光学性能包括荧光效率等的影响进行了研究,然而ZnS壳层厚度、颗粒尺寸及其表面处理对光催化性能影响方面的报道很少.
本文发展了一种简易的两步法,制备了核壳结构CdS/ZnS微米球光催化剂.首先采用超声喷雾热分解法制备CdS微米球,然后以水浴法在CdS微米球上生长ZnS壳层.采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)和透射电镜(TEM)对所得样品进行了表征.SEM和TEM结果显示,所得微米球为完整包裹的球形核壳结构;XRD表征证实CdS核与ZnS壳层皆为六角相晶型;光催化性能表征结果显示,该样品的光催化制氢性能远高于单独的CdS微米球以及同法所制的ZnS微米球.
通过改变前驱液浓度(Zn源浓度分别为0.2,0.3和0.5 mol/L)获得了三种不同厚度的核壳结构CdS/ZnS微米球,X射线荧光光谱结果证实了其壳层厚度成功调控.UV-vis结果发现,其吸收边由内核CdS决定,受壳层厚度的影响不大.光致荧光发射光谱分析发现,随着壳层厚度的增加,其540 nm处的CdS带边发射峰强度逐渐增大.这可能是由于ZnS壳层对CdS表面缺陷的钝化作用降低了其非辐射复合过程,从而提高了荧光发光效率.光催化制氢性能结果表明,前驱液浓度为0.3 mol/L时合成的核壳结构CdS/ZnS微米球的产氢效率最高.
为了进一步提高其光催化效率,采用氮气中高温热处理、水热二次硫化法以及两者共用三种方式对性能最优的微米球进行改性,获得了三种核壳结构CdS/ZnS样品.结果发现,这些改性方法未影响其吸收边,但水热二次硫化法处理以及两者共用处理的样品在540 nm处的光致荧光发射峰强度明显高于未处理的和高温热处理的样品,证实水热二次硫化法处理可以有效地消除其表面缺陷,减少非辐射复合.XRD结果表明其晶型没有发生变化.TEM表征发现,经高温热处理后其壳层发生重结晶,形成颗粒包裹形貌,而经水热二次硫化法处理后其壳层同样发生重结晶,但包裹颗粒的尺寸明显更小.光催化性能测试表明,处理后样品的光催化性能皆优于未处理样品,其中两者共用法处理的样品产氢性能和稳定性最高.

选择合并摘要  |    引用本文 
曾振兴, 李可心, 魏凯, 戴玉华, 颜流水, 郭会琴, 罗旭彪
一种简单前驱体预处理策略制备多孔氮化碳和负载型多孔氮化碳及其高效可见光光催化活性
2017 Vol. 38 (3): 498-508 [摘要] ( 4 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 913KB] ( 22 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62763-3

作为一种非金属半导体光催化剂,石墨相氮化碳(g-C3N4)已广泛应用于水中有机污染物去除、劈裂水产氢、二氧化碳还原制碳氢化合物燃料以及选择性氧化有机合成等许多光催化领域.然而,聚集态层状结构和粉末物理状态严重限制了g-C3N4在非均相光催化反应中的实际应用.一方面,g-C3N4的聚集态层状结构限制了光生载流子的表面迁移并增加了光催化反应的传质阻力.另一方面,由于附加的固-液分离步骤,粉体g-C3N4不便于实际应用.因此,为解决g-C3N4的上述缺点,一些研究已经进行并集中于g-C3N4的形貌控制合成及负载.
构建多孔微观结构是合成具有优异光催化活性g-C3N4的有效途径之一.本文研究表明,盐酸或乙二醇预处理的三聚氰胺均可用作制备多孔g-C3N4的前驱体.有趣的是,由于在多孔g-C3N4制备体系中不同制孔单元的共存,与通过盐酸或乙二醇单独预处理的三聚氰胺制备的多孔g-C3N4相比,通过二者共同预处理的三聚氰胺制备的多孔g-C3N4具有更丰富的多孔微观结构.
与制备负载型二氧化钛不同,由于在制备g-C3N4过程中缺少溶胶-凝胶步骤,因此负载型g-C3N4较难制备.而且,对于氟-锡氧化物(FTO)基底负载的g-C3N4,在实际应用中存在一些不足.首先,FTO基底的片状物理结构不利于反应底物的扩散.其次,FTO基底的吸光效应会导致光能损失,因此g-C3N4只能在FTO基底的单面负载.最后,在g-C3N4和FTO基底之间无化学作用,因此在光催化反应过程中不可避免造成g-C3N4的损失.
因此,以盐酸/乙二醇共同预处理的三聚氰胺作原料,氢氟酸/3-氨基丙基三甲氧基硅烷共同预处理的石英棒作基底,首次制备了多孔g-C3N4和负载型多孔g-C3N4.丰富的多孔微观结构使得所制多孔g-C3N4具有优异的光催化活性;且由于多孔g-C3N4与石英棒基底间存在化学作用,因而具有相当高的稳定性.另外,由于在构建石英棒反应器之后不影响光生载流子的表面迁移和目标有机污染物的扩散,因此负载型多孔g-C3N4的光催化活性与粉体多孔g-C3N4相似.
所制备多孔g-C3N4和负载型多孔g-C3N4的光催化活性通过在可见光条件下单组份有机废水的处理进行初步评价.在有机污染物降解同时产氢系统中,由于水和有机污染物之间的氧化还原反应难于进行,因此与传统的光催化降解和产氢系统相比,所制多孔g-C3N4的氢气产率和降解效率均显著降低;然而,在有机污染物降解同时产氢系统中,随着该材料光催化活性的提高,氢气产率和降解效率同时提高.这是因为光催化剂电子传递能力的提高促进了有机污染物和水之间的氧化还原反应.

选择合并摘要  |    引用本文 
杨志超, 柳云骐, 赵晋翀, 苟建霞, 孙凯安, 刘晨光
Zn改性的Pt/SAPO-11催化剂及其提高二甲基烷烃选择性
2017 Vol. 38 (3): 509-517 [摘要] ( 8 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 2556KB] ( 31 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62755-4

随着环保法规的日益苛刻,世界各国对发动机燃料指标的要求也越来越严格,汽油组分中的烯烃含量逐渐被限制.作为提高汽油辛烷值的有效手段,正构烷烃的临氢异构化越来越引起人们的重视.烷烃碳数相同时,具有多支链的异构体往往具有更高的辛烷值.因此,在正构烷烃临氢异构化过程中,提高多支链异构体的选择性具有重要意义.Pt/SAPO-11作为双功能催化剂具有适宜的孔结构、温和的酸性和适度的加氢脱氢活性,在烷烃临氢异构化反应中表现出色,得到了广泛研究.已有文献报道中,通过添加第二金属改性可以调节双功能催化剂的物理化学性质,进而影响其催化活性和产物选择性.为了提高异构产物选择性,特别是多支链异构产物的选择性,本文研究了Zn改性的Pt/SAPO-11催化剂在正辛烷临氢异构化中的反应性能,与未改性的Pt/SAPO-11催化剂相比,Zn改性的Pt/SAPO-11催化剂表现出更高的二甲基烷烃选择性.
通过动态合成方法合成SAPO-11分子筛,进而制备Zn改性的Pt/SAPO-11催化剂.XRD表征表明,Pt和Zn的引入基本没有引起SAPO-11特征峰改变,并且未发现Pt和Zn氧化物的特征峰,说明金属组分得到很好的分散.氮气吸附-脱附实验表明,随着Zn添加量的增加,载体的比表面积和孔体积略有减少.NH3-TPD和吡啶红外光谱用于表征Zn的加入对催化剂酸性的影响,结果表明,少量Zn的添加可以增加酸量,这是由于Zn的引入可以产生L酸性位;而随着Zn的增加,总酸量减少,这是由于过多的Zn覆盖了载体的酸性位.H2-TPR和H2-TPD表征发现,Zn的引入使得Pt在高温处的还原峰减小,说明Zn改变了Pt在载体上的位置,使其主要负载在分子筛外表面.由于Zn2+是阳离子并具有较小的离子半径,它可以作为竞争吸附剂,首先进入分子筛孔道从而抑制了Pt进入分子筛孔道.H2-TPD表明,Zn的引入使得H2的脱附温度逐渐降低,这与Zn增加了Pt的分散度有关;但是当Zn的添加量达到0.7%时,H2的脱附温度升高,同时溢流氢增加.
以正辛烷为模型化合物,在固定床高压微型反应装置中对一系列催化剂进行了评价,考察了Zn改性的Pt/SAPO-11催化剂和未改性的Pt/SAPO-11催化剂的催化性能.与未改性催化剂相比,Zn改性的催化剂在相同转化率条件下,异辛烷的选择性基本相同,但是二甲基己烷的选择性明显提高.当Zn的添加量为0.5%时,二甲基己烷选择性达到最大值,继续提高Zn的添加量,其选择性下降.值得注意的是,在相同反应条件下,未改性的催化剂具有更高的正辛烷转化率.我们分析认为,由于Zn的添加促进了二甲基己烷的产生,而其具有较大的分子尺寸,在反应中存在扩散问题,影响了改性催化剂的异构化活性.本文工作表明,适宜的Zn添加量有利于提高二甲基烷烃的选择性,对于提高汽油辛烷值具有重要意义.

选择合并摘要  |    引用本文 
李白滔, 罗歆, 黄静, 王秀军, 梁振兴
含铜有序介孔Cu-KIT-6的合成及其苯乙烯环氧化催化性能:pH值的影响
2017 Vol. 38 (3): 518-528 [摘要] ( 5 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 2334KB] ( 10 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62767-0

苯乙烯侧链C=C的选择性氧化一直是烯烃环氧化研究领域关注的热点之一.近几十年来,苯乙烯环氧化研究主要集中于多相过渡金属催化剂的开发与应用;以铜为主要活性物种的催化剂因具有较高的环氧苯乙烷选择性而备受瞩目.然而,采用pH调节法将铜离子引入三维六方介孔材料KIT-6阵列尚未见报道,尤其是pH值对合成材料的形貌、结构以及催化活性的影响尚未可知.基于此,本文采用pH调节法合成了铜嵌入KIT-6介孔材料Cu-KIT-6xx代表初始溶胶的pH值,x = 1.43,2.27,3.78,3.97,4.24,6.62),并将其应用于苯乙烯环氧化反应.采用X射线粉末衍射、氮气吸附脱附、透射电子显微镜以及X射线光电子能谱等手段对Cu-KIT-6x的表面结构及形貌进行了细致表征.
结果表明,随着pH的变化,Cu-KIT-6x催化剂的物理特性、表面结构尤其是铜物种种类和含量均变化较大.较低的pH导致铜物种主要以Cu2+形式存在,难以引入到KIT-6骨架中,且不利于介孔材料的合成,最终导致产生无序介孔结构.当pH增大到3.78时,约有4.6 wt%的Cu(II)以-Cu-O-Si-形式成功引入KIT-6骨架中,获得了具有较高比表面积且有序的孔结构.此外,由于Cu2+的引入,骨架内部分Si4+被取代,促使Cu-KIT-63.78拥有可与载体KIT-6相媲美的大孔径.然而,当pH继续增大时,过量的Cu2+从KIT-6骨架中析出,以CuO形式存在于载体表面,从而导致Cu-KIT-6的孔径逐渐增大;同时NaOH对三维立方介孔结构的破坏,使得介孔结构坍塌及比表面积显著降低.
以苯乙烯环氧化反应评价了Cu-KIT-6x系列催化剂的催化活性.当以叔丁基过氧化氢为氧化剂,乙腈为溶剂,在70℃反应6 h后,Cu-KIT-63.78表现出最优的苯乙烯转化率(43.5%)及环氧苯乙烷选择性(86.6%).使用4次后,Cu-KIT-63.78展示了稳定的苯乙烯转化率、环氧苯乙烷选择性及有序的孔结构,充分表明其具有出色的稳定性.各表征结果揭示了在适宜pH下合成的Cu-KIT-63.78催化剂具有较高的铜含量、有序的立方Ia3d介孔结构及合适的结构参数,因而在苯乙烯环氧化反应中表现优异活性和良好稳定性.

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周华兰, 龚静静, 许波连, 邓生财, 丁元华, 俞磊, 范以宁
PtSnNa/SUZ-4:丙烷脱氢反应的高效催化剂
2017 Vol. 38 (3): 529-536 [摘要] ( 16 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 601KB] ( 13 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62750-5

丙烷脱氢制丙烯是优化利用炼厂气和油田伴生气资源的一条重要途径.随着丙烯需求量的逐步增加,丙烷脱氢制丙烯日益受到重视.负载型PtSn/γ-Al2O3催化剂具有优良的丙烷脱氢活性和选择性,但在高温、低氢压的反应条件下,催化剂易积炭而失活.近年来,选用了微孔分子筛如ZSM-5和介孔分子筛如SBA-15和MCM-41作为PtSn催化剂的载体,结果表明,具有规整孔道结构的负载型PtSn/分子筛催化剂的丙烷脱氢反应稳定性明显优于PtSn /γ-Al2O3催化剂.SUZ-4分子筛与ZSM-5分子筛结构相似且孔径相当,所不同的是ZSM-5由十元环交叉孔道组成,而SUZ-4由十元环和八元环孔道垂直相交组成.我们用微型催化反应装置结合XRD、BET比表面积和孔体积测试、NH3吸附-程序升温脱附(NH3-TPD)、氢化学吸附、热重分析(TG)、H2程序升温还原(H2-TPR)和程序升温氧化(TPO)等多种物理化学手段研究了负载型PtSnNa/SUZ-4和PtSnNa/ZSM-5催化剂的结构和丙烷脱氢反应性能,以及这两种催化剂在丙烷脱氢反应中催化性能差异的原因.
实验结果显示,在丙烷脱氢反应中,负载型PtSnNa/SUZ-4催化剂上丙烯选择性和反应稳定性明显优于PtSnNa/ZSM-5催化剂,说明载体一定程度上会影响催化剂上丙烷脱氢反应性能.XRD,BET比表面积和孔体积测试等表征手段结果表明,SUZ-4和ZSM-5的孔体积和比表面积比较接近,载体的结构又类似,且两者的积碳量也相近,故载体的基本性质和积碳量的差异不是引起催化剂性能差异的原因.NH3-TPD结果表明,H-SUZ-4的酸强度明显强于H-ZSM-5.由于浸渍法制备负载型PtSn催化剂所用前体为具有强酸性的混合溶液(H2PtCl6+SnCl4),存在于SUZ-4分子筛孔道内表面的强酸中心不利于上述前体与SUZ-4分子筛孔道内表面结合.ZSM-5分子筛孔道内表面比较弱的强酸中心,促进了催化剂前体在ZSM-5分子筛孔道内表面的分散与结合.和ZSM-5为载体的催化剂相比,PtSnNa/SUZ-4上Pt粒子大部分分散在载体的外表面,从而金属上的积碳不易引起催化剂的失活.故多孔材料上Pt的分布是影响催化活性差异的主要原因.
为进一步证明多孔材料上Pt的分布是影响催化活性差异的主要原因,我们通过二苯并噻吩预处理催化剂的手段证明Pt粒子在分子筛孔内外的分布情况.由于二苯并噻吩的尺寸比较大(0.8 nm)不能进入到分子筛的孔道内(SUZ-4:0.56 nm,ZSM-5:0.56 nm),所以载体孔道外的部分Pt会被二苯并噻吩预处理而失去活性,而孔道内的Pt不会因为预处理仍具有催化活性.实验结果表明,PtSnNa/SUZ-4经过二苯并噻吩预处理后,催化活性大大降低;而PtSnNa/ZSM-5经过二苯并噻吩预处理后,催化活性几乎没有变化.说明PtSnNa/SUZ-4上Pt粒子大部分分散在载体的外表面,从而金属上的积碳不易引起催化剂的失活.

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张梦媛, 孙妍妍, 石娟娟, 宁文生, 侯昭胤
氮杂石墨烯碳纳米管复合材料负载Pt催化剂在甘油选择性氧化中的应用
2017 Vol. 38 (3): 537-544 [摘要] ( 25 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1454KB] ( 25 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62761-X

生物柴油因原材料来源广、可再生、安全性能好、环境友好及可替代石化柴油等优势被认为是一种极有发展前景的可再生能源,正逐步成为当今国际新能源开发的热点.作为生物柴油生产过程的主要副产物,甘油多相氧化制备具有高附加值的氧化产物是生物柴油产业链上的重要分支.目前,应用于该催化氧化体系的催化剂主要为负载型单金属(Au,Pd和Pt)和双金属(Au-Pd,Au-Pt和Pt-Bi)催化剂.其中,Au催化剂在碱性条件下对甘油氧化反应有较高的催化活性和甘油酸选择性,并且该催化剂稳定性高,不易在较高氧气压力的反应条件下因氧中毒而失活.但是,由于反应过程中碱的存在,反应体系中部分产物间可相互转化,从而掩盖催化剂的产物选择性本质,增大了产物分析、分离和催化剂作用机理研究的难度.而Pd和Pt催化剂不受酸、碱反应条件的限制,能够在无碱助剂作用下实现甘油催化氧化.与Au基和Pd基催化剂相比,Pt基催化剂可实现在酸性或中性反应条件下甘油选择性氧化产物的一步生成,同时具有较高的催化活性及稳定性,且氧化产物收率较高.
一直以来,以碳材料为载体负载的金属催化剂被广泛应用于甘油液相氧化反应.研究表明,催化剂活性与碳的孔径分布有关,随着碳载体微孔比例的增加,催化剂活性下降.此外,载体表面基团对金属活性有着重要影响.例如,载体表面含氧基团的吸电子作用可降低载体表面电子的流动性(电子密度和导电性),从而阻碍甘油氧化反应过程中OH-的吸附和再生,导致反应活性降低.因此,开发微孔比例小、富含负电性基团的碳载体成为甘油氧化过程中急需解决的问题之一.
本文通过热解碳纳米管(MWCNTs)和三聚氰胺的混合物,在碳纳米管表面直接生长得到氮杂石墨烯(NG-MWCNTs),并采用SEM,N2吸附,TEM和XRD对所得复合材料进行了表征.实验发现,相比于单纯的MWCNTs和直接热解三聚氰胺所得的产物CNx,NG-MWCNTs具有更高的比表面积(173 m2/g)和更大的平均孔径.此外,NG-MWCNTs非常适合作为Pt催化剂的载体,Pt平均粒径可小至1.4±0.4 nm.所制备的Pt/NG-MWCNTs催化剂在甘油选择性氧化反应中具有很高的催化活性和甘油酸选择性(甘油转化率和甘油酸选择性分别可达64.4%和81.0%),且具有可重复使用性能.Pt/NG-MWCNTs催化剂优异的催化活性不仅与载体表面高分散的Pt有关,而且与N原子对Pt的给电子作用有关.

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洪伟, 闫晓庆, 李仁宏, 范杰
稳定于具有亚5 nm窗口的立方介孔氧化硅的金纳米颗粒及其优异的醇氧化活性
2017 Vol. 38 (3): 545-553 [摘要] ( 5 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1971KB] ( 20 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62762-1

金纳米颗粒在烯烃加氢、水气转化、过氧化氢直接合成和醇类选择性氧化等反应中表现出独特的催化性能,引起了人们广泛关注.通常,金纳米颗粒的催化活性受到尺寸、原子堆积形式、暴露晶面及其与载体的相互作用所影响.而金纳米颗粒的烧结往往导致其催化效率迅速下降.为了解决金颗粒烧结问题,提高其使用寿命,必须控制高温处理时颗粒和原子的迁移.尽管已有很多工作见诸报道,然而到目前为止,仍未完全解决金颗粒烧结问题.
本文通过调整有机模板剂和反应温度成功地合成了不同窗口尺寸的立方介孔氧化硅材料(FDU-12),并将预先合成的3 nm金颗粒负载于其上,考察了窗口尺寸对金颗粒烧结的影响.首先,采用小角X射线散射、氮气吸附-脱附、透射电镜和扫描电镜等手段证实成功合成了具有亚5 nm窗口的FDU-12材料,同时以3 nm金颗粒为探针,进一步区分了具有< 3 nm和3-5 nm窗口的FDU-12样品.在抗烧结实验中发现,具有3-5 nm窗口尺寸的FDU-12能够在一个较宽的金负载量(1.0-8.3 wt%)下稳定金纳米颗粒.在550℃空气中焙烧5 h后,金颗粒的平均尺寸维持在4.5-5.0 nm.更小的窗口尺寸则会导致3 nm金颗粒无法进入FDU-12孔道,从而带来低的负载能力和差的抗烧结性能.另一方面,具有> 7 nm窗口尺寸的FDU-12则只在高的金颗粒负载量(> 9 wt%)下才表现出较好的抗烧结性能,低负载量时烧结严重(2.1 wt%,14.2±5.5 nm).
我们推测,合适的窗口尺寸(3-5 nm)恰好能允许3 nm金颗粒进入FDU-12的孔道,在高温处理过程中,当金颗粒长大到5 nm左右时,窗口极大地限制了金颗粒的移动,导致其不能在孔与孔之间自由迁移.此外,该FDU-12材料的孔径为18 nm,这使得封装在各个孔内部的金颗粒与其他金颗粒距离较远,不利于其通过原子迁移而发生烧结.因此,拥有3-5 nm窗口尺寸的FDU-12在一个宽的金负载量下表现出良好的抗烧结能力.而对于具有> 7 nm窗口尺寸的FDU-12,在高的金负载量下,它可通过自聚焦效应抑制原子迁移,从而具有优良的抗烧结性能.但在低负载量时,介孔氧化硅的绝大部分孔内并不包含多个金颗粒,自聚焦效应无法发挥作用,在高温焙烧时金颗粒可以通过大的窗口尺寸相互融合导致烧结.
我们将具有不同金尺寸的AuNP/FDU-12催化剂用于环己醇选择性氧化反应中.结果表明,4.5 nm的金催化剂表现出最好的活性(1544 mmol gAu-1 h-1)和大于99%的选择性(230℃),大大超过了先前报道的基于Ag和Mn为活性中心的催化剂.另外,与负载在商用γ-Al2O3上相比,AuNP/FDU-12体系表现出了很好的选择性,直接脱水产物小于1%.同时可以保持100 h内金颗粒不发生烧结,活性不明显下降.

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宋桂花, 杨海芳, 孙雅飞, 王静怡, 曲卫东, 张强, 马令娟, 冯媛媛
氧化铁对铂在碱性介质中催化氧化甲醇的促进作用
2017 Vol. 38 (3): 554-563 [摘要] ( 1 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 895KB] ( 22 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62773-6

Pt催化剂是电催化领域用途最为广泛的贵金属催化剂.Pt资源稀缺,价格昂贵,同时它的物理化学特性又决定了其在多种催化反应中难以被替代.在质子交换膜燃料电池的小分子醇类电氧化过程中,难免存在Pt的毒化现象,其催化性能有待进一步提升.因此,围绕着Pt催化剂纳米结构的设计、抗毒性及反应机理的探索一直是电催化研究面临的重要课题.
目前,已被广泛认可的提高Pt催化性能的方法之一是引入第二种金属,通过金属间协同效应(双功能机理)、张力效应或电子效应等对Pt的催化行为进行改性.对于由双/多金属组成的纳米结构催化剂,无论是协同效应还是电子效应,催化活性的提高都需要金属间有丰富的接触界面和恰当的邻近状态.通过调变两组元的种类、原子比和接触状态等可以实现对金属-金属界面的调控,进而调变催化剂性能.除金属助剂外,金属氧化物对Pt催化剂的助催化作用也引起广泛关注.由于金属氧化物与Pt之间的密切接触作用,氧化物的形貌特点对Pt的催化性能可产生重要影响.
到目前为止,有关催化剂形貌效应的研究主要集中于贵金属纳米颗粒上(Pt,Au,Pd等),但关于金属氧化物载体/助剂的形貌对贵金属催化性能影响的研究尚不多.具有明确形貌的金属氧化物载体/助剂,暴露的晶面不同,表面原子的配位状态也不同,从而造成与之密切接触的Pt的性质发生改变.因此,金属氧化物的表面性质以及Pt-金属氧化物的界面性质将对电催化性能产生重要影响,深入阐释贵金属-金属氧化物的表/界面性质以及建立有效的构效关系,对设计和制备高效电催化剂具有一定的指导意义.
为了提高Pt基催化剂活性、抗CO中毒能力以及稳定性,本文采用共沉淀法和水热法分别制备了纳米棒和六边形纳米片状的Fe2O3作为Pt催化剂的助剂,考察了助剂形貌对Pt催化剂在碱性介质中催化氧化甲醇的促进作用.通过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱以及电化学技术对催化剂进行了表征.结果显示,Fe2O3的存在能显著提高Pt催化剂在碱性介质中对甲醇氧化的电催化性能,而且以Fe2O3纳米棒为助剂制备的Pt-Fe2O3/C-R催化剂催化活性以及稳定性比Fe2O3纳米片为助剂制备的Pt-Fe2O3/C-P催化剂更高.这种促进效应可能与助剂Fe2O3的形态有关.Pt-Fe2O3/C-R催化剂中Pt的质量比活性为5.32 A/mgPt,本征活性为162.7 A/mPt2,分别是Pt-Fe2O3/C-P催化剂的1.67和2.04倍,是商业PtRu/C样品的4.19和6.16倍.协同效应和电子效应是Pt催化性能提升的主要原因.此外,Pt-Fe2O3/C-R样品中高价态Pt的含量较高,可能也是加速甲醇氧化反应动力学的原因之一.高价态的Pt可能会增强甲醇分子在Pt表面的吸附强度,促进Pt上甲醇氧化反应初始步.这些发现不仅可对甲醇电催化氧化机理有了更深的理解,而且对设计和制备高性能甲醇氧化电催化剂也具有一定的指导意义.

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邹谷初, 范泽云, 姚鑫, 张溢, 张志翔, 陈铭夏, 上官文峰
Ag/Co-Ce复合氧化物在O2及NOx气氛中催化燃烧碳烟的性能:Ag的作用
2017 Vol. 38 (3): 564-573 [摘要] ( 7 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 584KB] ( 15 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62758-X

柴油车由于其良好的燃油经济性及强劲的动力得到了广泛应用,但同时柴油车尾气排放中颗粒物(PM)也对环境造成巨大污染,并严重威胁人类健康.与气体污染物相比,PM的处理难度更大,其组分复杂,起燃温度高,是当前柴油车排放问题的瓶颈和难点.颗粒过滤器(DPF)是一种有效消除PM的手段,它需要及时再生以保证其较高的碳烟捕集效率.与其他再生方案相比,连续催化再生系统工艺简单,能耗低,研发一种能够连续催化再生柴油车DPF的催化剂也成为当务之急.
Ag是一种比较特殊的贵金属,其工业属性较强,价格也相对低廉.Ag基催化剂在环境催化领域有着广泛应用,已被应用于CO催化氧化、VOC催化去除及甲醛催化氧化等领域.目前的文献报道主要集中于研究Ag基催化剂负载于惰性载体对O2气氛下碳烟起燃性能的影响,并基于此讨论Ag的作用.本文利用柠檬酸络合法合成了高性能低温催化氧化材料体系xAg/Co0.93Ce0.07,探讨了不同Ag负载量对在两种气氛O2及O2+NO中催化性能的影响,并深入分析了引起此现象的原因.
结果表明,Ag对Co-Ce复合氧化物的催化性能有显著的促进作用;Ag/Co-Ce复合氧化物在O2气氛下的起燃活性取决于Ag含量,Ag含量最高的样品0.3Ag/Co0.93Ce0.07催化性能最佳.而在NOx气氛下,Ag基催化剂的起燃性能不及在O2中的数值;0.2Ag/Co0.93Ce0.07与0.3Ag/Co0.93Ce0.07催化活性并列最优,其起燃温度可低至226℃.XRD及Raman的表征结果证实了Ag主要以单质形态存在,且其对Co-Ce复合氧化物的晶体结构未产生显著的影响,Ag的晶粒尺寸也未明显变化.H2-TPR则表明了Ag的负载未能提高催化剂的整体氧化还原能力,soot-TPR预示Ag甚至恶化了催化剂在惰性气氛下表面晶格氧及体相晶格氧的活性.NOx-TPD表征结果则证明了Ag对催化剂的NOx吸附有积极作用.此外,Ag/Co-Ce复合氧化物催化剂也具备了优异的耐久性及稳定性.
本文还依据催化性能及表征结果剖析了碳烟在不同气氛下的催化氧化机理.在O2气氛下,Ag为反应的活性位,Ag与其表面的氧化物层AgOy之间存在一个自再生的反应循环.Ag吸附解离氧原子后,将其转化为AgOy,这表明此氧化物层不仅能够在低温下贡献表面晶格氧去除碳烟,促进氧分子向超氧物种转化,它在分解后也能将吸附氧解离为过氧物种及超氧物种.在NOx气氛下,催化剂表面硝酸根物种是催化剂催化性能维持稳定的重要因素;反应过程中催化材料表面硝酸盐物种的热稳定性筛查结果也进一步佐证了催化剂表面的AgNO3物种是碳烟起燃的决定性因素,其自身的氧化还原活性及Ag离子移动性均有利于降低碳烟的起燃温度.TGA结果说明了NOx气氛中的活性中间产物AgNO3的氧化还原活性劣于O2气氛下活性中间产物Ag2O,这直接导致催化剂在O2气氛下具备更好的碳烟起燃性能.本文工作有助于启发其他研究者开发高活性催化氧化催化材料.

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乔昱焱, 吴鹏飞, 向骁, 杨淼, 王全义, 田鹏, 刘中民
以正丁胺为模板剂合成SAPO-34及其在氨甲基化反应中的应用
2017 Vol. 38 (3): 574-582 [摘要] ( 3 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1683KB] ( 25 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62775-X

以正丁胺为模板剂首次合成了纯相的SAPO-34分子筛.考察了硅投料量、硅源种类以及晶化温度等条件对所得样品性质的影响.发现反应温度为200℃时,不加入硅源,合成产物为磷酸铝层状相kanemite;加入硅溶胶后,产物中开始有SAPO-34晶体出现,且随着硅投料量的增加,kanemite逐渐消失,SAPO-34分子筛成为主要产物,最终在SiO2/Al2O3摩尔比为0.6-1.4时得到纯相的SAPO-34.不同的硅源对SAPO-34产品的形貌和尺寸影响较大.反应温度为160℃时,合成体系中无法晶化得到SAPO-34,当提高至240℃后,由于层状相在高温下不能稳定存在,此时可以在较宽的硅投料区间内合成得到纯相SAPO-34产品.在200和240℃时,考察了使用同样的初始凝胶合成SAPO-34样品的晶化过程.发现在200℃时,合成体系中最初大量生成了kanemite,随后逐渐减少,SAPO-34晶体开始生成并最终成为唯一产物.而在240℃时,无机原料很快被溶解,之后大量的SAPO-34晶体快速生成,产物的收率和相对结晶度迅速增加,且整个晶化过程中并无层状相生成.这再次证明了高温对层状相的生成有着明显的抑制作用,因此提高晶化温度可以成为一种有效调节产品晶相的方法,特别是在容易产生层状相杂质的合成体系中.鉴于胺热合成方法的诸多优点,例如较高的收率、较好的吸附分离及催化反应效果,几种伯胺(正丁胺、正丙胺、环己胺)被用于充当模板剂和溶剂来合成得到了SAPO分子筛产品.其中,正丙胺为一种新的合成SAPO-34的模板剂.对SAPO-34产品进行X射线衍射、X射线荧光分析、扫描电镜、N2物理吸附、NH3程序升温脱附、热重和固体核磁共振等表征.结果显示,得到的SAPO-34产品具有很好的结晶度、孔结构以及合适的酸性.使用氨甲基化反应对正丁胺合成的SAPO-34进行催化反应评价.结果显示,该样品对甲胺和二甲胺具有很高的择形选择性,是一种具有潜在前景的甲胺合成催化剂.

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张玲, 刘学, 杨瑞霞, 黄年玉, 邓伟侨
一种经济环保地合成共价三嗪骨架的方法
2017 Vol. 38 (3): 583-588 [摘要] ( 4 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 683KB] ( 21 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62771-2

近年来,共价有机骨架材料(COFs)由于具有非常好的热化学稳定性、高的孔隙率和比表面积以及可控的表面功能化,因而在气体存储、分离以及催化等领域拥有潜在的应用价值.共价三嗪骨架材料(CTFs)是一种特殊的新型共价有机骨架材料,它是采用廉价的芳香腈为原料,在熔融的ZnCl2作用下,通过离子热聚合反应制成.本文选择不同的二溴代芳烃化合物,在无毒的K4[Fe(CN)6]·3H2O和微量Pd(OAc)2的作用下,通过氰基化反应合成相应的二氰基单体,二氰基单体再聚合获得共价三嗪骨架.
溴代芳烃氰基化转化为芳香氰基化合物的反应中,我们避免使用有毒的金属氰化物,用廉价无毒的K4[Fe(CN)6]·3H2O来代替,并不作任何处理直接使用.同时,以Pd(OAc)2为催化剂,不采用任何昂贵的配体,避免增加实验成本.我们选择1,4-二溴苯为底物,探索最佳的反应条件,包括催化剂用量、溶剂以及反应时间,以得到最高的转化率和产率,整个反应过程用GC-MS监测.然后,扩展底物有芳香杂环化合物2,6-二溴吡啶和多环芳烃1,4-二溴萘.上述三种溴代芳烃氰基化后分别得到对应的二氰基单体1,4-二氰基苯(DCB),2,6-二氰基吡啶(DCP)和1,4-二氰基萘(DCN).二氰基单体再聚合获得共价三嗪骨架,依次为CTFDCB,CTFDCP和CTFDCN.
对三种CTF的氮气吸附性能进行了测试,测得三种聚合物CTFDCB,CTFDCP和CTFDCN的BET比表面积依次为2404,1650和780 m2/g.其中,比表面积最大的CTFDCB拥有最大的微孔体积0.85 m3/g,比表面积最小的CTFDCN的微孔体积也有0.52 m3/g.三种聚合物的孔径分别为0.57,0.45和0.54 nm.三种材料的CO2吸附性能测试结果表明,拥有最高N2吸附量的CTFDCB在25和0℃下CO2吸附量分别仅为148和99 mg/g,而N2吸附量较小的CTFDCP的CO2吸附量反而高达225和154 mg/g,CTFDCN为129和97 mg/g.这表明该类多孔材料的CO2吸附性能不仅与孔体积和比表面积有关,也与材料中氮原子含量有很大关系.与其它CO2吸附材料相比,这三种多孔材料的CO2吸附处于一个较高水平.

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樊海鹏, 祁正亮, 随德君, 毛飞, 陈日志, 黄军
钯纳米颗粒负载在聚苯胺材料上制得催化Suzuki-Miyaura偶联反应的高效催化剂
2017 Vol. 38 (3): 589-596 [摘要] ( 5 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 532KB] ( 17 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62772-4

在最近的几十年里,金属钯催化的Suzuki-Miyaura偶联反应已经得到了越来越多的关注,被广泛应用于药物、天然产物以及新材料的合成.与此同时均相催化剂发展迅速,高效的配体和大量的设计被用于Suzuki-Miyaura偶联反应中,但是钯催化剂的配体通常很昂贵和难以合成,因此钯催化剂系统的回收是非常有价值的,不仅是经济上的原因,同时也避免了产品的污染,所以发展非均相催化剂是必要的.近年来,研究学者们致力于设计非均相的钯催化剂,如将钯纳米颗粒负载到金属有机骨架、介孔分子筛以及活性炭等多种材料上得到的非均相钯催化剂并应用于Suzuki-Miyaura偶联反应中.我们主要介绍了钯纳米颗粒被负载在含磷配体的交联的聚苯胺材料上制得负载的钯催化剂,首先通过钯催化的三(4-碘苯基)胺与金刚烷基膦的C-P偶联,再由钯催化三(4-碘苯基)胺与对苯二胺的C-N偶联,进而得到钯纳米颗粒负载在含金刚烷基膦的聚苯胺材料上的催化剂Pd@PAN-Ad-0.5(钯含量为0.58 wt%),同时我们对催化剂进行了一些表征,如TEM,SEM,XRD,EDX,XPS,FT-IR,ICP等.
通过TEM分析,我们发现钯纳米颗粒在聚合物表面分布均匀,并且金属钯的平均粒径为2-3 nm;EDX检测显示催化剂含有C,N,P,Pd,I元素,说明钯负载到含金刚烷基膦的聚苯胺材料上的催化剂Pd@PAN-Ad-0.5已经形成,并被用于Suzuki-Miyaura偶联反应.我们对反应体系中的各种影响因素进行了优化,包括溶剂、碱、反应时间、催化剂加入量以及不同的催化剂的优化,最终确定了最佳反应条件;对于带有不同取代基(如腈基、甲氧基、醛基、酮基以及硝基)的氯代芳烃和溴代芳烃与苯硼酸的Suzuki-Miyaura反应,以较少的催化剂使用量(0.075 mol% Pd)就能获得较高的相应的联苯产物收率.此外,催化剂Pd@PAN-Ad-0.5在偶联反应中具有较高的反应活性的同时,还具有较好的回收使用能力(至少能够回收使用5次),循环使用4次以后还具有较高的催化活性.为了探索催化剂Pd@PAN-Ad-0.5在工业上的应用,由于4'-氯-2-硝基-1,1'-联苯是合成啶酰菌胺药物的重要中间体,因此我们使用催化剂Pd@PAN-Ad-0.5催化2-硝基氯苯与4-氯苯硼酸的偶联反应,目标产物4'-氯-2-硝基-1,1'-联苯的收率高达96%.我们相信这类催化剂应用于实验室或工业上合成联苯化学品具有较大的潜力.

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李敏, 王冬娥, 李佳鹤, 潘振栋, 马怀军, 姜玉霞, 田志坚, 陆安慧
表面活性剂辅助水热制备形貌结构可控的MoS2及其蒽加氢性能
2017 Vol. 38 (3): 597-606 [摘要] ( 3 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1835KB] ( 22 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62779-7

随着原油资源重质化和劣质化的加剧以及对清洁燃料油品需求的不断增加,将重质油加工成清洁燃料成为现代炼厂面临的挑战.悬浮床加氢是重质油转化为清洁液体燃料的先进技术,其核心难题是高效加氢催化剂的开发.MoS2在石油化工领域油品加氢提质研究中表现出非常好的催化加氢性能.MoS2晶体结构中有两种面: 沿S-Mo-S层间的剥离面,又称基面,化学性质稳定;沿Mo-S的断裂面,又称棱面,具有大量的不饱和键,化学性质不稳定,可做催化活性中心.由于MoS2结构和形貌对其物理化学性能有重要影响,所以通过合理设计和调控MoS2的结构和形貌可增加暴露的催化活性位,进而改善其催化性能.
本文以七钼酸铵和硫代乙酰胺为原料,水合肼做还原剂,采用不同表面活性剂(包括PEG,PVP,P123,SDS,AOT和CTAB)辅助的水热合成法制备了结构及形貌可控的MoS2,并提出不同表面活性剂条件下MoS2催化剂的生长机理,进一步研究了重油模型化合物稠环芳烃蒽的催化加氢性能.结果表明,在不同表面活性剂辅助的条件下分别制得了由MoS2纳米片组装而成的球形、块状和花状的MoS2产物;通过改变表面活性剂种类可调变MoS2纳米片的长度、堆积层数、层间距以及最终产物的形貌.在PEG或PVP辅助下得到了球形MoS2产物,其中MoS2纳米片长<15 nm,堆积层数<6.在PEG辅助下制备的球形MoS2粒径约为250 nm,尺寸均一且分散性好.在PVP辅助下MoS2粒径在200-450 nm,粒径分布范围宽且有明显团聚.在P123或SDS辅助下得到了团聚较明显的块状微米级MoS2产物.在P123辅助下得到的MoS2纳米片长<15 nm,层数<6.在SDS辅助下制备的MoS2纳米片长>20 nm,堆积层数>8.在AOT或CTAB辅助下得到团聚比较严重的花状微米级MoS2产物,其中MoS2纳米片长>20 nm,堆积层数>8.另外,水热反应过程中,高温高压的环境促进了反应体系中游离的NH4+插入到MoS2层状结构中,导致MoS2纳米片层间距增大.基于此,本文提出了不同表面活性剂辅助的水热过程中不同结构和形貌MoS2产物的形成机理.
对不同结构和形貌的MoS2样品进行了悬浮床蒽加氢催化性能评价.结果表明,PEG辅助制备的MoS2催化剂具有最高催化加氢活性.该MoS2催化剂中纳米片层短,堆积层数少,暴露了更多的加氢活性位.单分散的球形MoS2颗粒粒径小,分散性好,有利于加氢活性位的充分暴露,进而表现出较好的催化性能.本文所采用的表面活性剂辅助的水热法为可控合成不同结构和形貌的过渡金属硫化物提供了有效指导和借鉴.

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顾蕾, 陈晓, 周瑛, 朱秋莲, 黄海凤, 卢晗锋
载体硫酸化对柴油机尾气催化剂Pt/Ce-Zr活性和稳定性的影响
2017 Vol. 38 (3): 607-616 [摘要] ( 2 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 588KB] ( 21 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62781-5

近年来,随着大气环境污染问题日益严重,汽车尾气排放受到政府越来越严苛的控制.柴油车排气成分主要包括碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、微粒(PM)和二氧化硫(SO2),因此常用的尾气后处理系统有颗粒捕获器(DPF)、氧化型催化转换器(DOC)以及NOx选择还原系统(SCR),在处理尾气时三者联合使用.其中柴油机氧化型催化剂(DOC)是汽车尾气后处理装置的重要组成部分,主要用于氧化CO,HC和NO,可以将CO和HC氧化成无害的CO2和H2O,将NO氧化成NO2,为后续SCR反应提供条件.
柴油机排气温度一般较低(150-400℃),特别是在冷启动阶段,排气温度可降低到100℃左右,要求催化剂具有良好的低温催化活性.此外,由于柴油中存在少量含硫有机化合物,经过燃烧分解,使得柴油机尾气中含有少量SO2,对催化剂又有钝化作用,因此催化剂的抗硫性也是需要关注的重点.
本文采用浸渍法制备Pt/Ce-Zr-SO42-催化剂,考察了催化剂载体硫酸化以及Pt和H2SO4的负载顺序对催化剂催化氧化C3H6和CO的活性及抗硫性的影响,并且对Pt/Ce-Zr-SO42-催化剂进行了一系列表征,探究其物理化学性质.结果表明,SO42-的添加能有效提高催化剂活性.Pt/CZ-10S对C3H6和CO的T90(转化率为90%时的温度)相较于Pt/CZ催化剂降低了约75℃,另外,Pt/CZ-10S催化剂也表现出较好的抗硫稳定性,在含硫尾气中240℃反应20 h后,其对C3H6和CO的转化率仍保持在95%以上.CO-TPD和XPS分析结果显示,Ce-Zr-SO42-载体上Pt的分散度增加,增加的Pt颗粒可以产生更多新的活性位点(Pt&+-(SO42-&- couples),从而表现出优异的催化活性.此外,硫酸化后催化剂表面酸性的变化也是其抗硫性能提高的原因.

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