新型碳材料的催化作用本质研究

本项目旨在认识包括碳管、石墨烯和界面活性炭在内的新型纳米结构碳材料的催化作用本质，创建可控制备、定向修饰和高效掺杂等新型碳材料制备新策略和新方法；建立和完善基于纳米碳材料催化研究的高空间和时间分辨水平的原位动态光谱方法，以及超极化（129Xe）增强的高灵敏度和快速（优于1秒/谱）的固体核磁反应动力学研究技术；建立以体系电子结构调控为基础的"纳米限域"催化概念，强化实验结果与理论分析的交叉和融合，努力发展出具有普适性的"纳米催化"新理论，在本领域形成影响。进一步与催化的实际体系相结合，拓展基础研究成果，创制多孔碳化硅（SiC）材料支撑的碳纳米管和纳米石墨烯真实催化材料，力争在合成气定向转化（主要制乙醇）的新催化材料和烃类选择加氢（如PTA加氢精制）的特种活性炭替代材料等领域获得突破，同时，在对碳材料催化基础深入了解的基础上，创制替代贵金属的燃料电池电极催化新材料，形成自有知识产权。

主要研究成果如下：.1、发展了一系列适合于催化研究的纳米碳材料的宏量制备方法。首创的含碳氮小分子构筑单元经水热合成组装氮掺杂的石墨烯方法；突破了SiC控制裂解制备担载碳纳米结构（碳纳米管和少层石墨烯等）和原位氮掺杂的技术和路线，制得的SiC担载的氮掺杂石墨烯催化剂在乙炔氯氢化生产基础化学品氯乙烯过程中显示出了优良的催化性能，已与企业合作，有望实现传统的汞催化剂的有效替代；.2、提出并从实验和理论上证实了“穿透电子催化”的概念，实现了催化反应和催化活性中心在空间上的有效隔离，据此原理，创制的碳层包裹的过渡金属（铁、钴和镍等）纳米粒子催化剂在ORR和EHR电催化，以及燃料敏化太阳能等体系中显示出了很好的活性和稳定性；.3、完善和深化了本研究组提出的纳米碳结构“限域催化”概念，率先在催化过程中引入“限域能⊿Econfine ”的表述，从理论和实验等多方面对纳米石墨烯和碳管限域空间的物理化学效应，以及催化性能进行了定量描述；利用碳结构对单铁原子的晶格限域效应制备的高度隔离单中心铁催化剂在甲烷C-H键活化反应中显示出独特的催化活性，首次实现了甲烷在无氧条件下直接活化制备乙烯和芳烃等高值化学品，引起了国际学术界和工业界的高度关注。.项目执行期间在国内外学术期刊发表研究论文54篇；申请国家发明专利30件，其中国际PCT专利1件，授权专利2件；在国际会议上作大会报告、主题报告和邀请报告30人次，培养14名博士，其中1人获中国科学院百篇优秀博士学位论文奖，培养4名博士后。