化工学院绿色催化研究团队研究领域取得重要进展

2023-03-29 15:12 文、图/化工学院 点击:[]

化学与化工学院绿色催化研究团队围绕国家重大需求和学术前沿,致力于能源环境催化和含氟化合物合成两大课题的基础与应用研究,开展高效催化剂的设计与合成和绿色催化过程的开发及其应用相关科学问题的研究工作。近期,团队围绕双碳目标,在光热催化低碳烷烃脱氢、CO2资源催化转化、生物质催化转化和电解水产氢和氧的催化体系开发等方面取得一系列重要研究进展。

图1 生物质催化转化方面:a)HMF一锅还原醚化;b)SPC制备磷掺杂碳材料;c)Z型异质结ZnO/C3N4光催化剂用于苯甲醇的高效选择性光催化氧化;d)CoOx/MnO2直接催化氧化腈化制腈化物

在生物质催化转化方面,团队开发出一种兼具Brønsted酸性和Lewis酸性的双功能锆基固体酸催化剂,并通过不同金属盐和生物质前驱体调控催化剂酸该催化剂可将HMF一锅还原醚化为可用作生物基燃料或添加剂的2,5-双(异丙氧基甲基)呋喃,且收率达92.4%。该工作为双功能固体酸催化剂制备提供新的思路,相关成果发表在ACS SustainableChem. Eng.(ACS Sustainable Chem. Eng.,2022, 10(15), 4969-4979图1a)上。团队开发出一种自蔓延碳化法(SPC)简便快捷地制备系列磷掺杂碳材料的技术。与已报道的磷掺杂碳材料制备方法相比,该方法在制备过程中无需消耗外加能量,也无需复杂的合成工艺和高能耗的煅烧过程。该催化剂在苄醇催化氧化制备苯甲醛和苯酚部分还原制环己酮反应中表现出较高的催化活性,相关成果发表在Green Chem.(Green Chem., 2022, 24, 6108-6112图1b)上。选择性催化氧化方面,团队制备了一种非贵金属Z型异质结ZnO/C3N4光催化剂用于苯甲醇的高效光催化氧化。该催化剂在无溶剂和室温条件下能够将苯甲醇光催化氧化为单一产物苯甲醛,产率高达88.3%,将底物用量扩大到40g仍能保持较高产率,相关成果发表在Green Chem.(Green Chem., 2022, 24, 7652-7660图1c)上。在苯甲醇选择性氧化化方面,团队开发了类化合物在无溶剂条件直接氧化催化体系。该催化体系以CoOx/MnO2为催化剂、氨水为胺源,在100 ℃、8h条件下,苯甲醇氧化腈化得到86%的苯甲腈。通过反应动力学阐明了反应的决速步、反应机理以及催化剂中Co和Mn的作用机制。该催化体系可以扩展到脂肪族、苄基、烯丙基和杂环醇的氧化腈化,相关成果发表在ACS Sustainable Chem. Eng.(10.1021/acssuschemeng.2c05205图1d)上。研究成果均以乐投体育·(中国)官方网站,为第一完成单位,王伟涛副教授、刘昭铁教授、韩布兴研究员为论文通讯作者,化工学院研究生王欢、姜旭禄和马莉琼分别为第一学生作者。

图2 光、光热催化方面:a)Z型异质结CoLaOx/WO3光热催化环己烷制KA油;b)Fe,V-NiSe2@NiFe(OH)x作为OER反应的高效电催化剂;c)光热协同催化CO2氧化丙烷脱氢制丙烯和CO

选择性催化氧化方面,团队制备了一种非贵金属Z型异质结CoLaOx/WO3催化剂用于环己烷的高效选择性光催化氧化。该催化剂在无溶剂、120℃、1.5 MPa O2和3 h条件下能够将环己烷催化氧化为KA油,产率高达72.3%;通过异质结机理研究阐明了该催化剂的决速步、反应机理以及金属氧化物的作用机制,该方法为设计和构建具有高效光热催化性能的Z型异质结催化剂在化学工业中将环己烷氧化为KA油和AA化学品提供了应用前景,相关成果发表在Catal. Today(10.1016/j.cattod.2022.04.010图2a)上。乐投体育·(中国)官方网站,为论文第一署名单位,王宽副教授和刘昭铁教授为论文通讯作者,化工学院研究生李松松为第一学生作者。

在电解水产氧方面,团队制备了一种新型的核壳异质结构纳米材料Fe,V-NiSe2@NiFe(OH)x,该催化剂具有较高的电子输运能力和较大的比表面积,在析氧反应(OER)中,具有优异的催化活性。该材料仅需通过高温硒化和原位电化学阳极氧化的方法制备,为核壳异质结构OER催化剂的设计提供了一种较为简单的合成方法,该研究以“In Situ Anodic Oxidation Tuning of NiFeV Diselenide to Core-Shell Heterojunction for Boosting Oxygen Evolution”为题发表于Inorg. Chem.(Inorg. Chem., 2022, 61(42), 16805-16813,图2b)上。乐投体育·(中国)官方网站,为论文第一署名单位,杨阳副教授和刘昭铁教授为论文通讯作者,化工学院硕士研究生朱兵为第一学生作者。

围绕“双碳”目标和低碳烷烃资源高效利用,团队首次报道了在相对低温条件下光热协同催化CO2氧化丙烷脱氢制丙烯和CO的研究。开发出BiOI纳米片催化剂在270 ℃具有优异的光热催化性能,远低于传统热催化丙烷脱氢的反应温度(≥550℃)。系列表征结果表明,暴露面为(110)的BiOI催化剂表现出优异的催化性能和光电响应性能,同时BiOI催化剂表面的晶格氧氧空位对可作为催化活性中心,其中晶格氧是丙烷脱氢制丙烯的活性位点,而氧空位能够催化CO2还原为CO。该工作验证了光热催化CO2氧化丙烷脱氢制丙烯和CO的可行性,为实现丙烷的增值转化和CO2资源化利用提供了一种新策略,该研究以“Photothermal catalytic CO2oxidative dehydrogenation of propane to propylene over BiOX (X=Cl, Br, I) nanocatalysts”为题的内封面文章发表于Green Chem.(Green Chem., 2022, 24,8270-8279图2c)上。论文以乐投体育·(中国)官方网站,为第一署名单位,何珍红教授和刘昭铁教授为论文通讯作者,化工学院研究生武宝婷为第一学生作者。

原文链接:

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c08351

https://doi.org/10.1039/D2GC01359B

https://doi.org/10.1039/D2GC02293A

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c05205

https://doi.org/10.1016/j.cattod.2022.04.010

https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.2c02706

https://doi.org/10.1039/D2GC02571J

(核稿:黄文欢 编辑:刘倩)

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