碳纳米管协同限域效应的催化作用基础

本项目旨在拓展前期研究发现，进一步研究和揭示碳纳米管的催化限域效应的物理化学本质。针对当今本领域的难点，从限域催化剂的制备入手，在技术上突破管径仅为1-3 nm的单壁和双壁碳纳米管中高度分散纳米粒子或团簇的有效方法，获得可应用于催化反应研究的几十到上百毫克量级的限域催化剂；针对限域体系中极其重要但尚未得到证实的气体分子的扩散、局部浓度富集等可能显著影响催化反应的效应，在实验方法上发展13C、15N、1H-核磁共振谱谱学、微天平-在线质谱、程序升温脱附-在线质谱等，结合光发射电子显微镜、X-射线吸收近边结构分析、拉曼和红外光谱等技术和理论计算，研究分子的吸附、扩散行为、局部浓度富集与碳纳米管结构的内在关联，以及对催化反应性能的影响规律，从而进一步深化碳纳米管的协同限域效应的催化基础理论，在本领域努力保持为同行认可的国际先进水平；并为设计基于碳纳米管的新型纳米催化剂提供科学指导。

本项目在前期研究的基础上，对碳纳米管催化限域效应展开了系统的研究，以揭示其物理化学本质。针对当今本领域的难点，从限域催化剂的制备入手，建立了在管径仅为1-3 nm 的单壁和双壁碳纳米管中高度分散纳米粒子或团簇的方法，这为后续的实验研究奠定了基础。通过发展多种技术，包括核磁共振谱学、气体吸脱附测试、理论计算等，研究了碳纳米管的限域对分子的吸附、扩散行为、局部浓度富集的作用。以Pt、Re以及Fe等催化的甲苯氧化、合成氨反应为探针，结果再次验证了管腔不仅对纳米粒子在空间上的约束作用，而且对限域金属具有稳定还原态的作用，即使在200摄氏度的氧化反应条件下，碳纳米管限域的Pt纳米粒子仍保持为还原态，这为高性能氧化催化剂的设计提供了重要的参考。同时碳纳米管对反应物分子的富集作用，可降低反应压力，初步实验结果显示，限域的Fe在常压下即可催化N2与H2在160摄氏度下发生反应生成氨。通过这些研究，达到了预期的研究目标，培养研究生2名，发表SCI论文10篇，申报发明专利1项，国际会议口头报告3次。进一步深化了碳纳米管的协同限域效应的催化基础理论，得到本领域国际同行的认可；所获得的结果并为设计碳基新型纳米催化剂提供了科学指导。