基于纳米粒子的可控合成及其对二氧化碳催化转化的研究

Carbon dioxide is not only the main greenhouse gas but also a renewable C1 carbon source for sustainable society, which calls for highly concern as the cutthroat for the global warming. In this project, based on the weak interaction between CO2 and catalyst, how to effectively activate carbon dioxide is the key to its catalytic conversion. Followed the molecular design concept, several series of polymeric ionic liquids are designed and synthesized. Since the interactions between their charges, functional groups and active components such as Au, Pd and Ru, different nanoscale catalysts are prepared to converse carbon dioxide into formic acid. Synergic effect between polymeric ionic liquid and nanoparticle is revealed the essence of carbon dioxide activation via FTIR, BET, XRD, TEM, SEM, XPS, HAADF and EXAFS to characterize the catalytic system of polymeric ionic liquids. Meanwhile, the catalysts are studied how to rapid and efficient active carbon dioxide at the level of molecular. Based on the study of prepared catalysts, which provide a key technology of conversion carbon dioxide into formic acid, build the structure-property relationship, and elucidate the catalytic mechanism. The proposed method and technology has a great value in the industrial application.

二氧化碳既是温室气体的主要成分又是可再生的碳资源，研究二氧化碳的化学转化和利用有着重要意义。基于二氧化碳与催化剂的弱相互作用以及催化活化原理，如何实现二氧化碳有效活化是其催化转化的关键。以分子设计为理论指导，设计并合成系列离子液体聚合物，利用其电荷和官能团与活性组分Au、Pd、Ru等相互作用，制备不同纳米尺度的催化剂强化活化二氧化碳加氢制甲酸。采用FTIR、BET、XRD、TEM、SEM、XPS、HAADF、EXAFS等表征手段对制备的离子液体聚合物催化体系进行结构表征，揭示离子液体聚合物与纳米粒子的协同作用强化活化二氧化碳的本质。从分子原子层次上研究快速活化二氧化碳的离子液体聚合物催化剂，为二氧化碳催化转化提供关键技术，构建离子液体聚合物的结构与催化性能之间的构效关系并阐明催化机理，建立具有重要工业应用价值的合成新方法以及环境友好的新工艺。

聚离子液体(Poly(ionic liquid)s)是指由离子液体单体聚合生成的，在重复单元上具有阴、阳离子基团的一类离子液体聚合物，兼具离子液体（如不易挥发、不燃烧、稳定性好、可循环使用、结构和性质可调等）和聚合物（如机械稳定性、易于加工和尺寸可控等）的优良性能。着眼于研究聚离子液体的结构可控性质，设计合成具有特殊性能的、稳定的、功能化的材料在高分子化学、电化学、材料科学、能源科学以及催化等领域得到了广泛应用。本项目设计合成了一系列新型的聚离子液体并研究了其在催化反应中作用。.首先，设计合成了具有不同组成与结构的聚离子液体对二氧化碳具有一定的吸附与活化作用，通过系统研究聚离子液体的组成结构与其对二氧化碳的吸附性能，探明了二氧化碳在聚离子液体中的活化机理与构效关系；其次，将将Au、Pd、Ru等金属颗粒负载到所合成的聚离子液体上，形成了均匀分散的纳米颗粒催化剂，通过不同系列的离子液体聚合物、负载方法、负载量及还原条件等来调控金属颗粒的尺度，由于聚离子液体上氮原子的电荷性，使其形成的纳米颗粒具有良好的稳定性，为后续催化剂优异表现奠定了良好的基础；再次，以二氧化碳加氢制甲酸、二氧化碳与环氧丙烷的环加成反应以及硝基苯加氢作为模型反应，研究了催化剂对二氧化碳和氢气的活化作用，一方面聚离子液体的空间网络结构及其电子及基团的性质能有效吸附并活化二氧化碳，另一方面Au、Pd、Ru等金属对氢具有较强的活化作用，基于丰富的表征测试手段测定了其表面结构与组成，考察了催化剂的组成对催化性能的影响因素，为新型的绿色催化剂的开发提供理论基础和依据；最后，通过量子化学计算探讨了CO2加氢制甲酸和硝基苯加氢的催化机理，阐明了过渡态存在的可能性。.本项目的研究结果为聚离子液体的结构设计及其在催化领域中的应用提供了基础数据。