化學所在多相催化劑的構(gòu)筑與性能研究中取得系列進展

　　多相催化在化學化工中具有廣泛的應用，超過80%的產(chǎn)品需要通過多相催化反應得到。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)設計，進而調(diào)控催化反應的進程，得到理想的產(chǎn)物成為該領域最前沿的研究方向。在國家自然科學基金委、中國科學院和化學研究所的大力支持下，化學所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術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（圖1）。相關結(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)的金屬催化劑應用于傅克反應材料、氧化反應、碳-氫活化等相關反應中。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