离子液体功能化的石墨烯/金属氧化物/贵金属多元纳米复合催化剂的合成及其绿色催化应用

Compared with the traditional metal oxides supported noble metal catalysts, recently developed graphene/metal oxides/noble metal nanocomposites have shown much better catalytic performance. Graphene can efficiently adsorb reactants due to large surface-to-volume ratio, and moreover its excellent conductivity and strong synergy with metal oxides conduce to the further promotion of the catalytic activity and stability of noble metals. However, study on this kind of ternary catalysts is still in a fledging period until now, and it is quite a challenge on developing the synthesis methods and studying their corresponding physicochemical properties. Based on green chemistry and catalysis, this project is planned to start from the non-organic synthesis of this kind of ternary catalysts via in situ growth and self-assembly process. And then the task-specific ionic liquid molecules will be used to modify these catalysts to improve their solubility in ionic liquid solvents. Our purpose is to successfully prepare ionic liquids based graphene/metal oxides/noble metal catalyst fluids, and further to realize the construction of a series of highly stable and efficient continues-catalytic-reaction systems, where the products can be spontaneously separated from ionic liquid solvents, e.g. CO oxidation, catalytic hydrogenation of nitrobenzene, and some important organic catalytic reactions.

与传统的金属氧化物基贵金属纳米催化剂相比，近年来出现的石墨烯/金属氧化物/贵金属三元纳米复合催化剂表现出了更优异的催化性能。石墨烯超大的比表面积十分有利于吸附底物分子，而其出色的导电性以及与金属氧化物的协同作用则大幅提升了贵金属的催化活性和稳定性。但国际上对于该三元复合催化剂的研究还处于起步阶段，其合成方法和性质研究还是一个比较新的课题。本项目拟从绿色化学入手，采用原位法和自组装法，设计一种新颖的非有机路线合成此类三元纳米复合催化剂。并利用功能化离子液体对其进行修饰，解决贵金属纳米粒子催化剂很难分散到离子液体中的难题，以期进一步制备离子液体基贵金属催化剂流体材料，并最终建立一系列稳定高效的、可实现产物与离子液体自分离的连续催化体系，比如CO催化氧化和硝基苯催化加氢还原等重要有机催化反应，实现绿色催化。

该项目利用石墨烯超大的比表面积十分有利于吸附底物分子，出色的导电性以及与金属氧化物和贵金属等协同作用的优异特性，针对CO氧化、甲烷燃烧、硝基苯还原、水合肼和电解水制氢等几类重要催化反应，开发和拓展了几种技术路线，设计制备了多种具有高催化活性和催化稳定性的纳米催化剂，利用多种表征手段对复杂结构的形成机制研究，进一步明确了所得物相结构与催化性质的关系，为材料的设计合成提供科学依据和指导。1）成功利用CuCe二元MOF材料为模板，制备了具有MOF衍生结构，且比表面积可调的Cu2+掺CeO2多孔纳米结构，产物可以在低至110 oC的温度实现100 % CO转化；2）利用自发氧化还原方法设计和合成了具有核@壳结构的氧化铈包覆的贵金属纳米微球，具有较高的催化加氢性能；3）利用金属间氧化还原电位的差别，通过一种原位成核生长的方法，成功制备出了非贵金属基Cu@Fe5Ni5核壳结构的纳米催化剂，在温和的条件下，该催化剂对水合肼的分解显示出了100%的制氢选择性，较高的活性和稳定性；4）提出了构筑“树状结构”多级纳米复合材料，有效集成高导电性、高活性位点密度和高结构稳定性于一个材料中，同步优化了材料的传荷、传质及催化转化能力，提升大电流密度条件下催化性能的策略。项目组按期完成了项目计划的主要科研内容和项目目标，并取得了相应的科研进展。相关研究成果在Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Chem. Sci.等期刊上发表研究论文16篇，3篇文章入选ESI前1%“高被引论文”；项目组成员参加了ChinaNANO 2017，AsiaNANO 2016，CSWNST12-海峡两岸纳米会等重要学术会议。项目执行期间，一名成员获国家自然科学基金委优秀青年基金项目支持。