功能化的氧化石墨烯诱导沸石合成及表面负载

Introduction of functional groups onto the surfaces of graphene oxide (GO) sheets gives rise to bifunctional nano-scaled building blocks that can undergo face-to-face assembly. (JACS 2010, 132, 3270; JACS 2010, 132, 14487) In this proposal, we are aimed to study the effect of functionalized GO on the nucleation and growth of zeolite in hydrothermal reaction. By optimizing the functionalization approaches of GO sheets and conditions of hydrothermal reaction, the size of the zeolite crystals will be controlled, leading to nano-sized sheets or wires of zeolite crystals. Transportation path of reactants and product in the nano-sized zeolite crystals will be shortened, leading to enhanced efficiency of mass transportation. GO will also be thermally reduced into reduced graphene oxide (RGO) in hydrothermal reaction; in this process, nano-sized zeolite crystals will be combined with RGO sheets, leading to immobilization of nano-sized zeolite crystals on RGO sheets. Finally, we will explore new approaches for preparing novel immobilized catalyst systems of zeolite by taking advantage of the features that RGO sheets can be readily assembled into two-dimensional films and three-dimensional porous structures.

通过在氧化石墨烯（GO）片层表面引入功能基团，形成双功能性的、具有面对面组装功能的、纳米尺度的构建单元，它可以影响纳米结晶在其表面上的生长方式（JACS 2010, 132, 3270; JACS 2010, 132, 14487）。本项目研究功能化的GO在沸石合成中对结晶成核、生长的诱导规律。通过对GO片层表面功能化方式和水热合成条件的优化，控制沸石结晶的尺寸，得到纳米尺度的沸石结晶片层、或者结晶线，从而减小沸石内部孔洞的实际长度，提高催化反应中孔洞内部的传质效率。水热反应中，GO被还原，得到还原的氧化石墨烯（RGO），纳米沸石结晶和RGO片层构成一体，实现沸石在RGO片层上的负载。利用RGO易于形成二维薄膜和三维多孔结构的特性，探索制备新型固载型纳米沸石催化体系的新方法。

沸石是一类结晶的铝硅酸盐材料，具有均匀规则排列的多孔结构，它还具有大的比表面积和好的水热稳定性。它们被广泛的应用于化学工业的各个领域，例如气体吸附与分离、离子交换和形状选择性催化。在这些应用中，沸石的性能往往由它们的分散性和晶体的形貌来决定。在这一研究项目中，氧化石墨烯（GO）被应用于ZSM-5沸石的合成，以控制沸石晶体的形貌。另外，我们还制备了石墨烯（RGO）的多孔材料并负载了无机纳米粒子，这些研究结果为制备多孔石墨烯负载沸石提供了可行的途径。..研究发现，在合成ZSM-5沸石的过程中加入GO可以有效地阻止沸石晶体的聚集现象。GO片层和ZSM-5沸石晶体（100）、（010）和（101）晶面的选择性相互作用使得沸石晶体沿着[001]方向生长。另外，在ZSM-5沸石形成的过程中，GO可以包埋到晶体的内部，从而形成介孔，因此，通过这一方法得到的ZSM-5沸石的晶体不仅均匀分布，还具有分级孔结构。以GO水溶胶为前驱体，结合旋涂方法和“冰晶诱导的相分离”技术，制备了一系列的大孔石墨烯薄膜（MGTFs）。MGTFs具有高导电性。以MGTFs做电极，通过电化学沉积的方法在MGTFs上负载了多种无机纳米粒子。另外，以Sn(BF4)2为锡的前驱体，在GO存在的条件下，通过水热反应一步制备了氟掺杂二氧化锡(F-SnO2)纳米粒子负载的三维多孔石墨烯结构(F-SnO2@RGO)。