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Chinese Journal of Catalysis
2018, Vol.39 No.10
Online: 2018-10-18


本期栏目: 目录 | 综述 | 快讯 | 论文 |

中国科学院固体物理研究所环境与能源纳米材料中心赵惠军教授课题组采用一步原位碳热还原法合成了高分散型Ni3Fe NPs@C 双金属催化剂, 其独特的合金形态具有高选择性直接加氢和转移加氢双功能催化特性, 能够高效地将生物质平台化合物乙酰丙酸转化为具有高附加值的γ-戊内酯. 见本期第1599–1607.

 
目录
选择合并摘要  |    引用本文 

第39卷第10期目次
2018 Vol. 39 (10): 0-0 [摘要] ( 9 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1452KB] ( 17 )    DOI:   

综述
选择合并摘要  |    引用本文 
彭立山, Syed Shoaib Ahmad Shah, 魏子栋
电催化析氧反应过渡金属磷化物和硫化物催化剂研究进展
2018 Vol. 39 (10): 1575-1593 [摘要] ( 113 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 3432KB] ( 180 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63130-4  

对化石能源的依赖所造成的环境污染和能源危机在全球引起了广泛的关注.氢能由于其高能量密度、低分子质量以及清洁无污染的优点,被认为是人类根本性解决能源与环境等全球性问题的理想替代能源.电解水是生产高纯度氢的重要方法,是现代清洁能源技术的重要组成部分.水电解由阴极析氢(HER)和阳极析氧(OER)两个半反应构成.对于HER反应,其反应是基于二电子转移过程,反应过程相对容易进行.相比于HER反应,OER反应涉及四电子转移及氧-氧键形成,其反应动力学缓慢,是影响水电解效率的主要原因.因此,为了提高电解水制氢的能量转化效率,发展OER电催化剂成为水电解制氢技术的关键.在过去的十余年间,硫化物、硒化物、磷化物、硼化物等非贵金属基OER电催化剂被大量地研究及报道并取得了长足发展.在这些催化剂中,金属磷化物和硫化物不仅具有成本优势,而且在析氧过电位、耐久性方面正趋接近甚至超越RuO2和IrO2等贵金属催化剂,颇具应用潜力.本文总结磷化物和硫化物作为OER电催化剂的研究进展,重点介绍了磷化物和硫化物性能提升策略及其在OER过程中催化反应活性位的变化.
本文首先介绍了电解水析氧反应在不同电解质中的反应机理,讨论了析氧反应在动力学和热力学过程的主要障碍.通过对大量文献的归纳,本文分别综述了磷化物和硫化物的化学性质、合成方法和催化性能,介绍了近年来磷化物和硫化物的重要研究进展.通过分析催化剂导电性、质子传输、活性面积、界面化学等因素对催化析氧反应的影响,总结了磷化物和硫化物电催化OER性能提升的策略.由于磷化物和硫化物在OER强氧化条件下,电催化剂表面的成分、物相及结构均会发生显著变化,进而催化反应活性位也会发生相应改变.本文综述了磷化物和硫化物在OER反应过程前后表面组分的变化,探讨了磷化物和硫化物作为OER电催化剂的活性组分,为进一步提高磷化物和硫化物的电催化析氧反应性能提供了崭新的思路.

快讯
选择合并摘要  |    引用本文 
陈佰灵, 王振, 张有灿, 赵志刚, 陈自立
银催化重氮酯与苯胺,亚胺的三组分反应
2018 Vol. 39 (10): 1594-1598 [摘要] ( 33 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 555KB] ( 46 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63088-8  

过渡金属催化重氮化合物的卡宾转移反应是有机合成反应的重要研究对象.在这一类反应中,包括环丙烷化、X-H(X=C,N,O,Si,S)插入以及羰基/亚胺叶立德环加成等反应得到了广泛的研究.2003年,胡文浩和Doyle课题组报道了一种新型的反应,即亚胺捕获看似不稳定的氨基叶立德中间体,合成具有高非对映选择性的1,2-二胺化合物.之后,他们又报道了一系列有关氨基叶立德和氧叶立德的研究,与不同的捕获剂,如酮,醛,β,γ-不饱和α羰基羧酸酯和偶氮二酸酸酯等发生反应,生成多种多样的产物类型,基本上都是采用Rh(Ⅲ)催化剂.迄今为止,没有采用其他类型的过渡金属催化剂的报道.
最近,本课题组研究发现,银盐可以作为重氮化合物卡宾转移反应的催化剂,实现了重氮化合物与醛的[2+1]环加成反应合成环氧乙烷类化合物,及重氮化合物与醛、炔/烯三组分的[2+2+1]环加成反应合成二氢呋喃/四氢呋喃类化合物,在这些反应中,加入不同的配体可以调节Ag(I)催化剂的催化活性,从而实现不同的反应过程.基于此,本文将探索Ag(I)做催化剂催化重氮化合物与芳基胺及亚胺的三组分反应合成一系列1,2-二胺类化合物.
研究发现,采用AgOTf/双噁唑啉配体配体作为催化剂组合,可以顺利地实现Ag(I)催化重氮酯、芳基胺及亚胺的三组分反应.尝试了不同的配体,包括膦配体、卡宾配体以及双噁唑啉配体,最后发现,双噁唑啉配体配位的Ag(I)催化反应的效果最好,极大地提高了Ag(I)催化剂的催化活性,其具体的作用机理值得进一步研究.反应中,Ag(I)催化剂的Lewis酸性对二胺产物的非对映选择性有较大的影响.其中,在对硝基苯基亚胺的反应中,产物的非对映选择性很高,大于铑催化反应的结果;而在其他类型亚胺的反应中,反应的非对映选择性较差.另一方面,由于Ag(I)的Lewis酸性,反应过程中发生亚胺与芳基胺的氨基交换反应,从而导致氨基交换的二胺副产物的生成.本文对不同反应底物的各种效应进行了比较详细的研究.

论文
选择合并摘要  |    引用本文 
王豪杰, 陈春, 张海民, 汪国忠, 赵惠军
乙酰丙酸选择性加氢合成γ-戊内酯中高效和可循环使用的Ni3Fe NPs@C双金属催化剂
2018 Vol. 39 (10): 1599-1607 [摘要] ( 289 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 888KB] ( 83 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63105-5  

生物质经催化转化合成燃料及化学品是当前研究的热点.目前,生物质的催化转化主要聚焦于纤维素、半纤维素和木质素的解聚及其下游产物合成.其中,乙酰丙酸(LA)作为纤维素解聚的主要产物之一,是一种极具竞争力的平台化合物和重要的生物质转化中间体.LA通过催化转化可以合成各类高附加值的化学品,例如,通过催化加氢LA可选择性合成γ-戊内酯(GVL).所合成的GVL用途广泛,可作为绿色溶剂、食品、燃料添加剂、(塑料、高分子、烃类或者其它高附加值化学品)前驱体等.目前,LA-to-GVL的研究主要着眼于非均相催化体系,包括负载型贵金属和非贵金属催化剂体.其中,贵金属催化剂主要有Ru,Au,Pd,Rh,Ir和Pt,虽然催化效率高,条件温和,但是成本高,难以实现工业化.此外对于广泛使用的Ru/C催化剂,存在金属-载体间相互作用不强.活性组分易流失、导致催化剂稳定性差等问题;而非贵金属则普遍存在催化活性不佳及反应条件苛刻等缺点.因此,开发高效、稳定、反应条件温和且具有工业化应用前景的非贵金属催化剂具有显著的研究意义,这也是当前的研究趋势.
在特定温度下,金属离子与碳基底存在较强的相互作用.鉴于此,本文通过一步碳热还原法合成了活性炭负载的Ni3Fe双金属催化剂(Ni3Fe NPs@C).该催化剂在LA-to-GVL转化体系中展现了直接加氢(DH)和转移加氢(TH)双功能催化特性.首先,考察了其在DH体系中的反应特性:在130℃和2 MPa氢压反应条件下经2 h反应,LA转化率达到93.8%,GVL选择性为95.5%,GVL产率是相应的单金属Ni/C和Fe/C催化剂的6倍和40倍.此外,在TH催化反应体系中,在180℃,0.5 h和无外加氢源的反应条件下,以异丙醇为反应溶剂和供氢体,LA几乎完全转化为GVL,其反应效率同样相较于单金属Ni/C和Fe/C催化剂大幅度提高.所合成的Ni3Fe NPs@C双金属催化剂DH和TH催化性能优于绝大多数报道的LA加氢贵金属和非贵金属催化剂.而且,该催化剂具有良好的循环利用性能,经过四次循环,其结构和化学状态没有发生明显的改变,稳定性明显优于商业化的Ru/C催化剂.此外,通过系统分析其催化性能以及材料结构,明确了该催化剂在LA的DH和TH反应体系中的活性位点,并提出了可能的反应路径.该研究为其它类型的DH和TH反应体系以及生物质高效转化过程提供了新的催化剂设计思路.并且这种催化剂及其制备方法简单、绿色,易于工业化推广和应用.

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王凌翔, 王亮, 张建, 王海, 肖丰收
通过CeOx修饰提高金纳米颗粒在CO氧化反应中的催化活性和耐久性
2018 Vol. 39 (10): 1608-1614 [摘要] ( 22 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1073KB] ( 43 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63136-5  

CO催化氧化是一个重要的经典反应,与许多应用息息相关,包括痕量CO气体检测、汽车尾气净化和安全防护等,吸引了人们广泛的研究兴趣.负载型Au纳米颗粒在CO氧化等许多反应中有着与众不同的催化活性,具有广泛的应用前景,但依然存在着稳定性差、易团聚失活的问题.人们通过应用多孔载体隔离Au纳米颗粒,在Au纳米颗粒表面覆盖金属氧化物、二氧化硅或碳,以及对Au纳米粒子进行封装等方法解决这些问题.尤其是利用金属氧化物与Au纳米粒子间的强相互作用对其进行覆盖或封装,有效地提高了Au催化材料的稳定性.但以上策略操作流程复杂,不利于应用.本文发展了一种简单有效的方法,通过EDTA的络合作用引入CeOx对Au纳米粒子进行修饰,得到的CeOx@Au/SiO2催化剂活性和耐久性明显提升.
采用X射线衍射(XRD)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)证明了CeOx成功地修饰在Au纳米颗粒上.且通过EDTA引入CeOx所制备的CeOx@Au/SiO2催化剂结构明显不同于直接加入纳米CeO2所得到的CeOx-Au/SiO2的结构.EDTA的络合作用能有效地连结Ce与Au物种,经焙烧消除EDTA后,加强了CeOx与Au间相互作用,最终在Au纳米粒子表面形成丰富的CeOx颗粒与原子级厚度的CeOx层.进一步应用X射线光电子能谱(XPS)和氢气程序升温还原(H2-TPR)等手段研究了CeOx修饰对Au纳米粒子的影响.XPS结果表明,CeOx@Au/SiO2催化剂带正电的Au+和Au3+的浓度明显高于一般的Au/SiO2和直接加入CeO2制备得到的CeOx-Au/SiO2催化剂.H2-TPR同样表明,CeOx修饰调变了Au纳米粒子的氧化还原性.这些均对其在CO催化氧化反应中的催化活性具有重要影响
将CeOx@Au/SiO2催化剂用于CO催化氧化反应中,160℃时,CO转化率达98.8%,至180℃后实现了CO的完全转化.而一般的Au/SiO2催化剂在160℃时CO转化率仅为4.0%,CO的完全转化则需340℃.直接加入纳米CeO2所得到的CeOx-Au/SiO2催化剂,其催化活性略有提升,CO完全转化所需的温度为300℃.这充分证明了通过CeOx修饰Au纳米粒子,能有效提升其催化活性.
原位漫反射红外光谱(DRIFT)结果表明,CeOx修饰促进了CO在Au表面的吸附,并能形成[Au(CO)2]δ+物种;同时还观察到大量的单齿CO32-物种信号,反映了CeOx@Au/SiO2催化剂表面存在丰富的活性氧物种.通入O2后,观察到了大量CO32-物种信号和气相CO2,印证了催化剂表面发生的CO催化氧化过程,也表明其具有非常高的催化活性.
考察了CeOx@Au/SiO2催化剂的耐久性,发现经50hCO氧化反应,催化剂依然能有效保持活性.相比之下,Au/SiO2催化剂经10 h反应后,开始明显失活.由此可见,CeOx@Au/SiO2催化剂具有相当高的耐久性.在600℃将催化剂焙烧3h,发现Au/SiO2催化剂中Au纳米粒子存在明显团聚现象,而CeOx@Au/SiO2催化剂的Au纳米粒子依然均匀分布在载体表面,且粒径未发生明显变化.

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杨传锋, 滕伟, 宋艳华, 崔言娟
C-I共掺杂多孔g-C3N4光催化分解水制氢
2018 Vol. 39 (10): 1615-1624 [摘要] ( 82 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 809KB] ( 70 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63131-6  

氢气是一种可替代传统燃料的理想清洁能源,利用光催化技术分解水制氢是制取氢气的有效途径之一。无机半导体光催化材料具有较高的活性和稳定性,且原料丰富,易加工改性.目前针对光催化技术的应用,大量的研究工作都集中在开发可见光响应光催化剂,以提高对可见光的利用率.同时,非金属聚合物半导体因其特殊的光电性质,在光催化应用研究中越来越受到关注,如庚嗪基微孔聚合物(HMP)和共价三嗪基骨架(CTF).石墨相碳化氮(g-C3N4)是一种典型非金属二维聚合物半导体,被认为是一种非常有价值的光催化材料.然而,其较低的光生电子的传输效率限制了其实际应用,因此诸多研究对g-C3N4的物理化学结构进行优化,如半导体耦合、共聚合、纳米结构设计和掺杂.非金属掺杂是一种有效的方法,由于原子电负性差异引起的电荷分离可有效改善载流子传输效率,且保持半导体的非金属性质.通过O,B,P和S等掺杂可以扩大可见光响应范围,并调节能带位置以改善光催化活性.除了常见的单一非金属掺杂,金属和非金属元素或多非金属元素共掺杂的办法同样可提高g-C3N4的光催化性能.
本工作通过两步法对双氰胺、尿素和碘化1-乙基-3-甲基咪唑的混合物直接热聚合,合成C-I共掺杂的多孔g-C3N4,其在可见光照射下表现出较高的产氢活性和稳定性.采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)和电化学实验等方法对多孔掺杂g-C3N4结构进行详细表征和分析.在助催化剂Pt和电子牺牲剂(三乙醇胺)存在的条件下,采用可见光(>400nm)照射分解水产氢的方法评价其光催化活性.结果表明,后热处理和碘离子液掺杂对g-C3N4材料的结构和性能具有较大影响.C-I共掺杂和后热处理使催化剂产物颗粒尺寸减小,形成多孔片层状紧密堆积,比表面积和孔隙率显著增加,吸收带边发生蓝移.后热处理使样品层间距减小,聚合度增加,有利于电荷传输,C-I共掺杂后出现更多的缺陷,但没有改变其层状堆积的特性.XPS结果表明,样品中碘元素以I-和I5+的形式存在,改性后催化剂C/N比明显增加,sp2芳环N含量增加,表面氨基含量降低,表明后热处理和C-I共掺杂没有改变多孔g-C3N4的基本骨架,共轭结构更加完善.PL和光电流结果表明,改性后样品的PL强度均显著降低,并且随着掺杂量的增加而逐渐降低,表明共掺杂可抑制光生电荷的复合.电化学测试结果表明,后热处理和C-I共掺杂的样品界面电荷转移电阻降低,导电率和电荷迁移率增加,从而有助于提高光催化性能.光解水产氢性能测试表明,后热处理和C-I共掺杂有利于催化剂产氢速率的提高,改性后CNIN0.2的产氢速率达168.2μmol/h,是纯氮化碳的9.8倍.经过多次循环测试,其产氢性能保持稳定而没有显著下降,表明其产氢稳定性较好.

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李清华, 董源, 陈飞飞, 柳磊, 李春秀, 许建和, 郑高伟
Brevibacterium epidermidis催化酮不对称还原胺化合成(S)-手性胺
2018 Vol. 39 (10): 1625-1632 [摘要] ( 24 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 489KB] ( 71 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63108-0  

光学纯手性胺是一类非常重要的手性化学品,作为手性砌块和手性拆分剂广泛用于医药、农业化学品、精细化学品等产品的合成中.据统计,美国FDA近年来批准的约40%药物中都含有一个或多个手性胺结构单元.胺脱氢酶(AmDH)是由氨基酸脱氢酶改造而来的一类催化酮不对称还原胺化的新酶,其在手性胺的合成中展现出较强的潜力,已引起国内外学术界和工业界的广泛关注.这是因为该酶能够利用廉价的无机铵为胺供体,且具有催化效率高、原子经济性好和环境友好等优点.迄今为止已经有数个高效的胺脱氢酶被成功开发和报道,但是这些通过蛋白质工程改造的胺脱氢酶均为(R)-选择性,因此只能合成(R)-选择性的手性胺,遗憾的是还未见有(S)-选择性胺脱氢酶的报道.因此,本文主要目的是期望从自然环境中鉴定能够不对称还原胺化酮合成(S)-手性胺的微生物,进而从中分离得到能够以无机铵作为胺供体合成(S)-手性胺的(S)-选择性酶.
本文首先利用苯乙胺作为唯一氮源,从土壤中筛选能够利用苯乙胺生长的菌株,进而利用苯乙酮作为初筛底物对得到的菌株进行胺化能力筛选,再利用(4-氟苯基)丙酮作为模式底物进行进一步的筛选.幸运的是,我们获得了能够利用无机铵作为胺供体催化(4-氟苯基)丙酮不对称还原胺化合成(S)-4-氟-α-甲基苯乙胺的菌株,经过16S RNA鉴定为表皮短杆菌,命名为B.epidermidis ECU1015.
接下来,我们对B.epidermidisECU1015催化的胺化反应中的关键参数如胺基供体及其最适浓度、反应温度、pH值和底物浓度等进行了优化,确定最佳反应条件:胺供体为NH4Cl(1.25mol/L),反应温度为30℃,KPB缓冲液(200mmol/L,pH 7.5),底物浓度10mmol/L.最后,在最适的反应条件下,我们对B.epidermidis ECU1015催化的底物谱进行了研究.结果表明,该微生物不能催化大位阻芳香酮和链状酮的胺化,对位阻较小的苯乙酮及(4-氟苯基)丙酮具有较好的还原胺化能力,而且对苯环上带有吸电子取代基的酮化合物具有更好的转化效果.经手性分析,所有生成的手性胺均为(S)-构型,产品的光学纯度均>99%.
B.epidermidis催化酮不对称胺化所形成的产物构型均为(S)-选择性,这不同于已报道的(R)-选择性胺脱氢酶.该菌株的发现为(S)-选择性胺脱氢酶的进一步鉴定奠定了一定的研究基础,相关蛋白的分离纯化工作正在进行.

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Justina Gaidukevič, Jurgis Barkauskas, Anna Malaika, Paulina Rechnia-Gorący, Aleksandra Możdżyńska, Vitalija Jasulaitienė, Mieczysław Kozłowski
改进的石墨烯基材料用作菜籽油转酯化反应制生物柴油的有效催化剂
2018 Vol. 39 (10): 1633-1645 [摘要] ( 78 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1111KB] ( 123 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63087-6  

本文研究了不同石墨烯基材料用作转酯化反应制备生物柴油催化剂的性能.将磺酸基或磷酸盐基嫁接到热还原的氧化石墨烯表面,制备了固体酸石墨烯基样品.并采用扫描电镜、X射线衍射、热重分析、X射线光电子能谱、N2吸附-脱附法、电位滴定法、元素分析以及红外光谱法对所制样品进行了全面表征.将所制样品用于130℃带压力的条件下菜籽油与甲醇转酯化反应中,并将其催化活性与商用的多相酸催化剂Amberlyst-15的进行了比较.结果表明,所有改进的样品在转酯化反应中均表现出催化活性,但各样品上生物柴油产率差别较大.其中以苯二氮磺酸基功能化的热还原氧化石墨烯样品上脂肪酸甲酯产率最高,反应6 h后达70%,也明显高于商用催化剂Amberlyst-15.该样品也表现出良好的重复使用性能.

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田密, 李海峰, 王来来
铑(I)/三-H8-联萘单齿亚磷酸酯高效催化双环戊二烯氢甲酰化制备双醛
2018 Vol. 39 (10): 1646-1652 [摘要] ( 30 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 475KB] ( 30 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63098-0  

双环戊二烯(DCPD)是石脑油和燃料油裂解蒸汽的C5馏分中最重要的组分之一.DCPD经氢甲酰化反应可转化为具有广泛应用前景的三环癸烷不饱和单甲醛(TCDMA)和三环癸烷二甲醛(TCDDA),并可通过还原或胺化进一步转化为相应的醇和胺类化合物,用于农药、医药、润滑油和香料等的合成.但是,由于其分子结构中含有3,4-位和8,9-位两种不同活性的不饱和双键,因此DCPD氢甲酰化反应的产物通常非常复杂.过去数十年,研究者们为此相继开发了高转化率和高选择性的催化体系.但是反应条件相对都比较苛刻,尤其是对于双醛TCDDA的合成,通常需要较高的反应温度和反应压力以及大量的催化剂.
本文以2’-联萘位置含有不同酯取代基(OCOMe,OCOPh,OCOAdamantyl和OCOPhCl)的三-H8-联萘单齿亚磷酸酯L1-L4为配体,以不同价态的金属铑前驱体为催化剂,开发了Rh催化DCPD氢甲酰化反应的新体系,并对亚磷酸酯配体、不同价态的金属铑催化剂前驱体、反应温度、反应时间、溶剂以及不同的底物和催化剂的S/C摩尔比对DCPD转化率和TCDDA选择性的影响进行了深入的研究.结果表明,当以金属铑前驱体Rh(acac)(CO)2和配体L4-OCOPhCl为催化体系时,在DCPD氢甲酰化反应中表现出很高的活性,尤其是当S/C=4000时,TON值达到3286,并且该催化体系对于双醛TCDDA具有良好的选择性.值得注意的是,在相对温和的条件(6MPa,120℃)下,Rh(I)催化剂与氯苯酯基取代的三-H8-联萘单齿亚磷酸酯所形成的配合物在催化DCPD的氢甲酰化反应中,DCPD的转化率达到99.9%,而双醛TCDDA的选择性达到98.7%.此外,我们采用L4-OCOPhCl作为模型单齿磷酸配体,在溶液中通过NMR对可能形成的Rh(I)/亚磷酸酯催化物种进行了深入的考察.13P NMR谱图表明,在DCPD的氢甲酰化反应中,催化物种[Rh(acac)(CO)(L4-OCOPhCl)]比[Rh(acac)(CO)(L2-OCOPh)]具有更好的稳定性,而且只有体积较大的配体L4-OCOPhCl才能与铑前驱体Rh(acac)(CO)2进行很好的配位.

选择合并摘要  |    引用本文 
李伟, 张成, 李鑫, 谭鹏, 周安鹂, 方庆艳, 陈刚
Ho改性的Mn-Ce/TiO2催化剂低温脱硝性能的评价和表征
2018 Vol. 39 (10): 1653-1663 [摘要] ( 23 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1345KB] ( 70 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63099-2  

作为引起酸雨、光化学烟雾、雾霾等大气污染问题的主要根源,氮氧化物(NOx)的防治已成为亟待解决的问题。选择性催化还原技术作为最成熟有效的脱硝技术,目前已经被广泛应用于各燃煤电厂.低温脱硝催化剂具有优秀的低温活性,使得脱硝装置可以安放在脱硫装置和除尘装置下游,受到了学者广泛的研究.目前低温脱硝催化剂的研究主要是对催化剂进行改性以提高催化剂的性能,已有许多研究报道了Sn、Ni、Co、Zr、Cr、Ni等对催化剂的改性影响.Ho作为一种改性元素被应用于光催化领域,能提高TiO2的光催化能力.但Ho应用于脱硝领域的研究鲜有报道,其氧化物具有酸性位点有助于脱硝反应,因此研究Ho对低温SCR催化剂的改性作用具有重要意义.
本文采用浸渍法制备Ho掺杂的Mn-Ce/TiO2催化剂,研究了Ho的掺杂对于Mn-Ce/TiO2催化剂低温脱硝性能的影响,同时还研究了烟气中的SO2和H2O对催化剂活性的影响,并利用XPS、XRD、H2-TPR、NH3-TPD等表征方法从物理性质和化学性质两方面对Ho改性的影响机理进行了研究.研究发现,Ho的掺杂能提高Mn-Ce/TiO2催化剂的脱硝能力,有助于催化剂N2选择性的提高.分析表明,Ho的掺杂有助于催化剂比表面积的提升,且能提高催化剂的酸性,有利于催化剂对NH3的吸附,从而提高催化剂的性能.XPS表征结果表明Ho掺杂后的催化剂具有更高的化学吸附氧浓度和较高的Mn4+/Mn3+比例,使得脱硝反应更容易进行.改性后催化剂的抗水抗硫实验结果表明,Ho的掺杂能够提高催化剂的抗水抗硫性能.XRD结果表明,抗水抗硫实验后催化剂表面形成了硫酸铵盐,硫酸铵盐的形成会堵塞催化剂表面的活性位,限制脱硝反应的进行,从而影响催化剂的脱硝活性.同时,400℃下进行再生实验后的催化剂活性有所恢复,但是未能达到抗水抗硫实验前的活性,表明在抗水抗硫实验中催化剂表面形成了除硫酸铵盐以外的其他硫酸盐类.结合XPS和XRD表征结果,推断生成的盐类物质为硫酸锰和硫酸铈,从而导致再生后的催化剂的脱硝活性无法恢复到最初的活性水平.由此可以看出,硫酸盐的形成是催化剂在含硫气氛中失活的主要原因.

选择合并摘要  |    引用本文 
刘杰, 蓝国钧, 邱一洋, 王小龙, 李瑛
小麦粉衍生中孔氮掺杂颗粒炭负载金催化剂用于乙炔氢氯化反应
2018 Vol. 39 (10): 1664-1671 [摘要] ( 25 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 796KB] ( 60 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63109-2  

聚氯乙烯是五大工程塑料之一,在国民经济中占有重要的地位.基于中国富煤少油缺气的能源格局,我国主要采用基于煤化工的电石法氯乙烯生产工艺,但该工艺必须采用氯化汞催化剂,受到国际限汞公约的影响,无汞催化剂的开发迫在眉睫.其中炭负载金催化剂在该反应中活性最高,近几年来取得了较大进展,有望实现产业化.
氮掺杂的炭材料在诸多反应中展现了较好的性能,其负载金属催化剂可以有效提高金属的分散度及稳定性,成为近几年多相催化领域的一个研究热点.最近我们课题组报道了一种氮掺杂中孔成型的制备方法:以小麦粉为原料,通过直接炭化法制备了氮掺杂中孔成型炭,这种氮掺杂中孔成型炭作为无汞催化剂在乙炔氢氯化反应中显示出了优异的催化性能.小麦粉衍生的氮掺杂中孔成型炭具有成型容易.原料价廉易得、易于放大生产等优点,是优选的工业化催化剂的载体.
本文以这种氮掺杂的成型炭为载体制备了负载型金催化剂,研究其催化乙炔氢氯化性能.结果表明,氮的掺杂使得中孔炭负载金(Au/N-MC)催化剂上乙炔氢氯化活性明显提高.在氯化氢/乙炔比例1.1、反应温度180℃、乙炔空速600 h-1的条件下,Au/N-MC上的乙炔转化率为50%,是Au/MC催化剂活性的2倍.通过对催化剂的表征发现,氮的掺杂能有效地锚定Au/N-MC催化剂中活性组分Au3+,抑制催化剂制备过程中Au3+还原为Au0,从而提高催化剂活性和稳定性.小麦粉衍生的氮掺杂中孔炭的原料廉价易得,生产工艺简单,易成型,也容易实现工业化生产,是负载型金属催化剂的优良载体,其负载的无汞催化剂性能优越,有望取代电石法氯乙烯产业的汞催化剂,成为新一代无汞催化剂.

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王小平, 陈义霞, 傅敏, 陈咨含, 黄秋林
高压放电-光催化剂体系中低温等离子对g-C3N4的影响
2018 Vol. 39 (10): 1672-1682 [摘要] ( 21 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 968KB] ( 17 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63115-8  

高压放电能产生物理和化学效应,如高能电子(e*)、电场、紫外光、可见光和活性物质(·OH,H·,O·,·O2-,O3,N·,NOx)等,这些放电效应直接或间接应用于污染物的去除和材料的表面改性.在环境领域中,很多研究都关注于高压放电体系中活性物质的产生和利用,而忽视了物理作用,致使处理污染物的能量利用效率不高.近年来,为了提升能量效率,在放电系统中添加光催化剂的研究越来越多.放电产生的物理和化学效应提升了活性物质的产量,从而增强污染物的去除效率.然而,关于高压放电产生的活性物质和物理效应对光催化剂的影响缺乏研究.g-C3N4光催化剂是无毒、耐高温、低成本的非金属半导体,在环境与能源方面应用较广,但至今研究g-C3N4与低温等离子体协同处理污染物较少.为了使等离子体-g-C3N4系统能在环境中得到应用,首要解决的是高压放电对光催化剂影响的问题,从而为后期的研究奠定基础.
本研究选用放电均匀、稳定、能产生高电子密度的介质阻挡放电(DBD)对g-C3N4进行处理.在不同电气参数(放电电压和放电时间)对g-C3N4进行处理,用处理前后的g-C3N4光催化降解10mg/L的亚甲基蓝检测其光催化活性,并对其表面的物理结构和化学特征进行表征.结果发现在低放电电压的长时间放电会降低g-C3N4的催化活性,而在高放电电压的较短时间内会增强光催化剂的催化性能,随着放电时间的延长,催化活性会先降低再上升.根据XPS表征结果,放电处理后的g-C3N4表面有化学键的破坏和新键的形成.在放电处理过程中,加入光催化剂会增强放电强度,而且亲水官能团(-OH,-COOH,-NO2)的增加也会使放电强度增强,这与光催化剂对放电间隙的空间电荷吸附量有关.结合g-C3N4表面表征结果,发现g-C3N4的表面物理结构随着放电时间的延长层层破坏,其表面化学官能团也发生周期性变化,这些变化都会影响g-C3N4的光催化剂活性.如果等离子体-g-C3N4系统要应用于环境治理,光催化剂需避免与放电间隙接触,使光催化剂既能利用高压放电产生的光和其他物理效应,也能不受到低温等离子体的影响.

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饶成, 刘瑞, 冯小辉, 沈家庭, 彭洪根, 徐香兰, 方修忠, 刘建军, 王翔
三维有序大孔SnO2基固溶体用于有效燃烧碳烟颗粒
2018 Vol. 39 (10): 1683-1694 [摘要] ( 24 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 1802KB] ( 154 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63123-7  

柴油车尾气排放的碳烟颗粒对人类的生存环境和身体健康带来了严重危害.催化燃烧是消除碳烟颗粒污染的有效途径.碳烟颗粒催化燃烧是固-固-气相反应,因此催化剂本身具有活泼的氧中心且其能与碳烟颗粒有效接触是提高反应效率的关键因素.为改善碳烟颗粒与催化剂的接触,设计制备三维有序大孔(3DOM)催化剂,使碳烟颗粒可以进入催化剂孔道内部,增加其与催化剂的有效接触,是提高反应活性的有效途径.此外,在催化剂晶格中掺杂其它金属离子形成固溶体结构,可提高其氧化还原性能,也可有效提高其碳烟燃烧活性.
SnO2富含活泼的表面缺位氧和可还原的晶格氧,且其熔点高达1630℃,具有良好的热稳定性,被广泛用于制备气体传感、电化学和催化等材料.在过去的6年中,本课题组在SnO2催化化学领域做了大量系统的工作,将SnO2基催化材料用于多种环保和能源反应.发现通过其它阳离子Fe3+,Cr3+,Ta5+,Ce4+和Nb5+等的掺杂,替换晶格中部分Sn4+形成金红石型SnO2固溶体结构,可显著提高催化剂氧物种的流动性、活性和本身的热稳定性.
本文采用胶体晶体模板法制备出了Ce4+,Mn3+和Cu2+离子掺杂的SnO2三维有序大孔固溶体催化剂用于松散接触条件下的碳烟催化燃烧.采用SEM,TEM,XRD,STEM-mapping,O2-TPD和XPS等手段对催化剂进行表征,研究其碳烟催化燃烧性能.SEM和TEM结果表明已成功合成三维有序大孔结构样品.XRD,Raman和STEM-mapping结果表明,Ce4+,Mn3+和Cu2+离子均进入四方金红石型SnO2晶格形成固溶体结构.另外,Raman,H2-TPR,XPS和O2-TPD等结果发现上述离子掺杂三维大孔SnO2后,催化剂表面形成了更活泼、丰富的氧物种,有利于碳烟颗粒燃烧.其中3DOM-Cu1Sn9催化剂具有最丰富的活泼氧中心,因此表现出最高的活性.

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李解元, 颜萍, 李康璐, 岑望来, 于晓巍, 袁山东, 楚英豪, 王正明
活性氧自由基生成及传输对g-C3N4上NO光催化去除的影响:原位红外光谱与计算模拟结合法
2018 Vol. 39 (10): 1695-1703 [摘要] ( 56 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 725KB] ( 72 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63097-9  

石墨相氮化碳(g-C3N4)具有独特的二维层状结构和合适的能带结构,因而在可见光催化领域广受关注.尤其是在可见光去除环境污染物领域,得到了较为充分的研究与应用.然而g-C3N4去除环境污机理的反应机理尚不明确.因此,本文采用理论计算与实验高度结合的研究方法,以光催化NO去除为例,深入阐述了光照下g-C3N4表面活性氧物种(ROS)的生成及转化过程,及其介导下的NO光催化氧化机理.
X射线衍射结果表明,g-C3N4是三嗪环层内聚合后层层堆叠而成,并由红外光谱确定了其表面的官能团类型.该结构经扫描电镜和透射电镜得到了进一步的验证.采用光致激发谱和紫外可见漫反射光谱等实验表征与密度泛函理论计算结合的光电性质分析,我们发现,g-C3N4在可见光下具有一定的响应,这为其在光催化去除NO中奠定了基础.同时,其价带位置过高,无法自行产生氧化性较强的羟基自由基(·OH).
电子自旋共振技术结果表明g-C3N4在光照下能捕获到·O2-和·OH两种活性自由基.采用反应路径计算发现,·OH是由·O2-在导带上逐步得到电子被还原而生成,其中的速率控制步骤是H2O2的解离.因此,促进O2分子的吸附和活化和克服H2O2解离的反应活化能是产生·OH和提升g-C3N4光催化氧化活性的关键.
采用原位红外光谱技术对g-C3N4上NO的氧化去除过程进行了表征,发现其主要中间产物为NO2,主要终产物为NO2-和NO3-.采用反应路径计算对该反应过程进行了理论模拟,发现在·O2-介导下,最高反应活化能为0.66eV,而在·OH介导下,该活化能降低至0.46eV,表明·OH的氧化性要明显强于·O2-.总之,本文采用一种可行的、高度结合的实验与计算手段研究了g-C3N4上ROS的生成及转化过程及其对NO去除的反应历程,在原子尺度揭示了该反应的机理,加深了对ROS在光催化环境污染物降解过程中作用的理解.

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朱相林, 管子涵, 王朋, 张倩倩, 戴瑛, 黄柏标
非晶TiO2修饰CuBi2O4光阴极增强其光电化学产氢活性
2018 Vol. 39 (10): 1704-1710 [摘要] ( 15 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 748KB] ( 62 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63127-4  

光催化作为太阳能利用领域的研究热点引起了广泛的关注.其中,光电化学技术能够通过分解水提供清洁的氢能源,因此被认为是一种潜在的新能源制造方式.在光电化学分解水产氢的过程中,最重要的是高效光电极的制备.一系列n型半导体材料已被广泛地报道并用作光阳极,如BiVO4,ZnO,Fe2O3等.然而对于光阴极材料,其可选择性则较少.CuBi2O4是一种天然矿物,具有廉价易得以及化学性质稳定的特性,而且是一种p型半导体材料,因此能够用于制备光阴极;另外因为其强的可见光响应(1.70eV),所以具有广泛的应用前景.目前对于CuBi2O4光阴极研究主要集中在合成和理论计算方面,而对于如何促进界面处的载流子分离研究较少.
本文通过一种简单的电沉积方法成功制备出CuBi2O4光阴极,然后利用非晶TiO2和助催化剂Pt进行修饰后将其用于光电化学产氢.由于形成了CuBi2O4/TiO2 p-n结,因此其光阴极活性得到增强.新的Pt/TiO2/CuBi2O4光阴极在0.60V偏压处的光电流为0.35mA/cm2,其数值约为Pt/CuBi2O4光阴极的两倍.XRD结果表明,我们制备的CuBi2O4为纯相且结晶性较好,其表面修饰的TiO2为非晶相的.SEM结果表明,CuBi2O4电极层由100-150nm的颗粒构成.紫外-可见吸收光谱表明,制备的CuBi2O4光电极拥有良好的可见光吸收性质,而且TiO2修饰未对CuBi2O4的光吸收产生明显的影响.XPS结果表明,修饰TiO2并未对CuBi2O4电极造成成分上的破坏.光电化学测试表明,修饰TiO2层厚度和结晶性会影响光电极的最终活性.修饰四层TiO2和退火200℃的样品具有最好的活性.
另外稳定性测试也表明,修饰非晶TiO2的CuBi2O4光阴极具有良好的稳定性.在IPCE测试中,Pt/TiO2/CuBi2O4光阴极在其光响应范围内均比Pt/CuBi2O4光阴极表现出更高的效率.阻抗结果测试中Pt/TiO2/CuBi2O4光阴极具有更小的阻抗,这表明其载流子传输更加高效.在Mott-Shetty测试中,Pt/TiO2/CuBi2O4和Pt/CuBi2O4光阴极都表现出p型半导体性质,但是Pt/TiO2/CuBi2O4具有更负的平带电位,这表明修饰的TiO2仍具有n型半导体材料的特性,并与p型的CuBi2O4形成p-n结,从而促进了载流子分离效率.

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高芳芳, 刘海龙, 胡勋, 陈静, 黄志威, 夏春谷
Cu-LaCoO3催化剂选择氢解生物质基糠醇制备1,5-和1,2-戊二醇
2018 Vol. 39 (10): 1711-1723 [摘要] ( 21 ) [Full Text(HTML)] () [PDF 953KB] ( 51 )    DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63110-9  

高效转化可再生生物质资源制备人类社会必需的燃料和化学品是当前关注和研究的热点之一.生物质基糠醇来源于玉米芯、甘蔗渣、秸秆等农林副产物,价廉易得,是选择氢解合成高附加值1,2-和1,5-戊二醇的理想原料.目前生物质基呋喃衍生物氢解制备二元醇的研究主要集中在Pt,Ru,Rh和Ir等贵金属催化剂,对无Cr非贵金属催化剂的研究甚少.基于纳米Cu催化剂较高的C-O键氢解活性和较低的C-C键裂解活性,以及碱性载体对反应物和反应中间体的稳定作用,我们在前期Cu-Mg3AlO4.5和Cu-Al2O3催化剂催化糠醇氢解研究基础上,以具有一定碱性的ABO3结构的钙钛矿型化合物为载体负载活性Cu开展糠醇氢解研究,深入研究催化剂结构、组成和活性金属价态等对催化剂活性和选择性影响,并研究了催化剂循环使用稳定性.
首先我们采用柠檬酸一步络合法制备了一系列具有一定钙钛矿结构的不同Cu负载量(0-20 wt%)的Cu-LaCoO3催化剂以及LaCoO3负载的5 wt% Pt,Ru,Rh和Pd催化剂并考察了它们的糠醇选择氢解制备戊二醇性能.研究发现,在相同活性金属负载量(5 wt%)时,Cu-LaCoO3催化剂具有较优异的呋喃环C-O键氢解活性,而贵金属催化剂倾向于催化呋喃环C=C键加氢饱和.考察不同Cu负载量的Cu-LaCoO3催化剂催化糠醇氢解性能发现,随着Cu负载量的增加,糠醇转化率先升高后降低,在10 wt% Cu负载量时达最高(94.6%),戊二醇总选择性也随Cu负载量的增加先升高后降低,在5 wt% Cu负载量时最高(52.2%),总体以10 wt% Cu负载量催化剂表现出最优异的性能.
接着我们考察了反应动力学条件如温度、压力和反应时间以及还原处理条件对10 wt% Cu-LaCoO3催化性能的影响.研究发现适当的高温(~433 K)和高压(6 MPa H2)有利于Cu-LaCoO3催化糠醇氢解制戊二醇,而低浓度氢气(5 vol%)还原有利于1,5-戊二醇的生成,高氢气浓度(纯氢)还原有利于呋喃环加氢饱和的四氢糠醇生成.10 wt% Cu负载量的催化剂经5% H2-95% N2处理后,在413K和6MPa H2条件下可取得100%的糠醇转化率以及55.5%的戊二醇总选择性(其中1,5-戊二醇和1,2-戊二醇的选择性之比接近3:1).进一步考察了10 wt% Cu-LaCoO3催化剂的循环使用稳定性,研究发现无论是在高初始转化率(~93.7%)还是低初始转化率(~30.5%)条件下,经多次循环使用后糠醇转化率先升高后基本保持不变,而戊二醇总选择性呈下降趋势,四氢糠醇的选择性逐渐上升.
结合XRD,XPS,BET,H2-TPR,CO2-TPD,NH3-TPD和HRTEM等多种表征技术对Cu-LaCoO3催化剂的结构及在糠醇氢解反应中的活性位进行了表征,发现高分散的活性物种、合适的碱性以及部分还原的活性组分均有利于提高催化剂的活性与1,5-戊二醇的化学选择性,高分散的Cu0与部分还原的Co3O4(很可能是CoO)之间的协同催化对于取得较优异的糠醇氢解性能,尤其是较高的1,5-/1,2-戊二醇比例至关重要.

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