納米碳材料在氣相反應(yīng)中的催化性能和機理研究.pdf

1、納米碳材料因其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，可以直接作為催化劑用于各類催化反應(yīng)中，有望替代金屬催化劑被廣泛地應(yīng)用到催化領(lǐng)域。研究表明，納米碳材料的表面性質(zhì)對其催化性能至關(guān)重要。本論文根據(jù)不同氣相催化反應(yīng)要求，調(diào)變納米碳材料表面的結(jié)構(gòu)和組成，設(shè)計并制備了具有不同表面缺陷、官能團或雜原子濃度的三類納米碳材料催化劑，分別用于催化甲烷裂解、丙烯醛和丙烯醇選擇氧化反應(yīng)中，表現(xiàn)出較高的催化活性。結(jié)果如下:
　　(1)通過改變焙燒溫度成功地研制了具有不同

2、石墨層厚度和表面缺陷數(shù)量的納米金剛石催化劑。該催化劑在催化甲烷裂解反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的抗積碳能力和催化穩(wěn)定性，并得到具有薄層石墨烯結(jié)構(gòu)的副產(chǎn)物。研究了不同焙燒溫度處理納米金剛石的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與其催化甲烷裂解性能之間的關(guān)系，確定反應(yīng)活性中心是表面上不飽和石墨烯層邊緣或石墨烯層上的空缺位。結(jié)合理論模擬和實驗結(jié)果，進一步提出了甲烷裂解是一個多步驟的裂解過程。
　　(2)結(jié)合濃硝酸和氧氣處理的方法對納米碳管表面進行選擇性地含氧官能團化處理，同時

3、對其表面性質(zhì)進行了系統(tǒng)地表征，并作為催化劑應(yīng)用到催化丙烯醛選擇氧化反應(yīng)中。研究表明，這種氧官能化處理能產(chǎn)生更多的表面活性氧，而且大幅度地提高了納米碳管的催化活性。其中，最高的丙烯酸產(chǎn)率達到40.8％。通過系統(tǒng)地選擇性調(diào)變納米碳管的表面氧官能團種類，并對其進行催化性能測試，確定催化丙烯醛選擇氧化反應(yīng)的活性位是橋氧和內(nèi)酯官能團，這一結(jié)果通過丙烯酸生成速率與活性氧含量之間良好的線性關(guān)系得到證實。結(jié)合動力學(xué)測試和催化性能結(jié)果，闡述了催化丙烯醛選

4、擇氧化反應(yīng)路徑，提出了可能的反應(yīng)機理。
　　(3)高效可控地合成不同氮含量的摻氮納米碳管，并將其作為催化劑應(yīng)用于丙烯醇選擇氧化。結(jié)果顯示，摻氮納米碳管表現(xiàn)出比其他未摻雜碳材料更優(yōu)異的催化活性。通過對其表面結(jié)構(gòu)性質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)異催化活性與比表面積無關(guān)，主要與引入的氮原子相關(guān)，而且隨表面氮含量的增加而提高。此外，著重研究了表面無序炭對其催化活性的影響，結(jié)果顯示反應(yīng)催化活性與樣品的石墨化程度有關(guān)，而且得出石墨氮含量提高有利于反應(yīng)的進