纳米碳材料负载铁催化材料的制备及其应用研究

发布时间：2020-06-27 22:39

【摘要】：化学反应的核心在于催化剂,目前提出的绿色化学的理念对催化剂的性质提出了更高的要求:经济、高效、环保与循环稳定性。贵金属催化剂的高活性,是目前商业催化剂使用的主要金属,但其易中毒与高额的成本使得生产流程复杂化,并且使产品成本上升。因而开发高效的非贵金属催化剂,受到越来越多的关注。自富勒烯的发现起,碳材料便受到广泛的关注,碳材料的氮掺杂是一种简便而且高效的改性方法。铁元素作为含量丰富的元素,具有绿色廉价等优点。将三种元素结合起来,可相互取长补短:利用掺杂碳材料的大比表面积与化学稳定性,负载或分散铁元素,复合材料作为催化剂的活性中心,有明显提高催化活性的效果。因此,本课题利用碳、氮、铁三种元素,制备了两种催化剂,并应用于有机分子转型反应中,具体研究内容与结论如下:1.以氧化石墨烯为原料,尿素为氮源,氯化铁为铁源,通过一锅水热法制备了氮掺杂石墨烯负载三氧化二铁复合催化剂,并将其应用于芳醛选择性氧化制备芳酸的反应中。研究发现,NG和都具有对O_2的吸附作用,Fe_2O_3的吸附作用较强,NG中具有三种类型的氮,其中吡咯氮与Fe_2O_3具有最佳的协同效应,能够增强O_2分子的解离,促进O-O键的断裂,能够提高催化活性。这种高活性的催化剂具有对其他芳醛的衍生物的适用性,而且能够循环六次不表现明显的活性衰减。2.以多孔氧化镁为模板剂,通过高温裂解法制备了具有高比表面积的Fe-N-C单原子催化剂,通过HAADF-STEM证明了Fe稳定分散于多孔碳的骨架中,Fe通过N元素稳定,以FeN_x形式存在于材料中。制备温度不同,Fe的化学环境发生改变,通过EXAFS表面Fe-N-C-800具有较高的配位数,Fe的价态较高,因而其催化活性较高。将催化剂应用于1,2,3,4-四氢喹啉及其衍生物的脱氢氧化反应中,反应能够在较低的温度与温和的氧气氛围下发生,具有比拟贵金属催化剂的活性,催化剂多次循环后,仍表现出满意的催化活性。以上的实验结果为碳基催化剂的应用提供了新的思路,对铁、氮、碳的催化体系有了更深的认知,拓展了碳基催化的领域,证明了非贵金属催化剂具有替代贵金属催化剂的应用潜力。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36
【图文】：

催化活性中心,石墨,类型,表面

着层数由 1 层增加到 4 层，其导热系数迅速降低，由 4100 W·m-1··m-1·K-1，几乎与高质量的石墨相当[13]。优异的导热性能使得石墨烯具有丰富的发展潜力，但这些性能尺度都是基于微观的，在宏观上会纳米片层拼装成宏观薄膜材料，是石墨烯商业应用的重要方法。催化领域方面，其本身可以作为活性位点，而非人们熟悉的金属或者为催化位点，这是碳催化与传统催化的重大区别。人们认为石墨烯的有这样的共识：一是来自于缺陷（Defects）及边缘原子（Edge）。目烯材料，一般是由气相沉积、电弧放电、物理或化学方式剥离制备的大量的缺陷、边缘、空穴等，这部分碳原子由于配位缺失，具有很高的墨烯表面的官能团，主要以含氧官能团为主，这些官能团性质不同，碱性、也有亲电子、亲核的，这些性质不同的官能团可以催化不同的自于杂入杂原子进入 sp2晶格，使得局部电荷分布不均。表面的活性所示。

能量变化,氧化反应,路径,单原子

故其在加氢反应中不会发生团聚，因而具有应贵金属 Au 的单原子催化剂表现出了很好的催化活性作者证实了 FeOx载体上负载的 Au 单原子为活性中其他负载型 Au 纳米颗粒催化剂，而 Au 单原子催化好的化学稳定性。表面泛函数理论计算（DFT）表，受金属-载体共价键成键的影响，带有很高价态的大的增强了 Au 的稳定性，而在 Au 亚纳米团簇与明显较弱，使其稳定性较差[97]。通过 DFT 模拟，Au 促进周围载体产生氧空穴有关。Au 原子能够促从而吸附 O2 分子并使其在空穴处断键，Au 自身的游离氧原子发生氧化反应，生成一个 CO2分子同样的反应，完成反应循环，反应过程如图 1.8 所

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