金属磷酸盐纳米管的催化性能研究

金属磷酸盐具有丰富的结构化学特点和物理化学性能，在氧化催化、酸催化等领域用途广泛。大量研究表明，孔道结构特点对其物理化学性能有着重要的影响。将金属磷酸盐（催化剂）做成纳米管，并考察其催化性能是十分有意义的课题，其形貌上纳米尺度的晶体结构弯曲可能会产生特别的表面界面效应，使表面活性位点更加活泼，以及管道形貌在反应中可能表现出的限域效应，可能对其内部发生的反应产生特殊的效应，可望获得高的活性和独特的选择性。本组前期工作已经初步揭示了这一点，并首次合成了一系列金属磷酸盐纳米管，如磷酸铝、磷酸铜、磷酸镍等。针对这些新颖的金属磷酸盐纳米管材料深入研究其合成机理，并通过掺杂等调变手段对纳米管表面酸碱性和氧化还原性能进行调节，获得一系列管径与组成变化的金属磷酸盐纳米管，并研究其形貌、孔道结构尺寸、组成与催化反应性能之间的关系，着力开发其在选择氧化催化、酸催化等方面的应用是非常值得的。

金属磷酸盐具有丰富的结构化学特点和物理化学性能，在催化、吸附、离子交换、锂离子电池等领域均有重要应用而备受关注。 但是金属磷酸盐由于其结构的复杂多变性（化学组成和晶体结构众多），在溶液中极易结晶析出，使得金属磷酸盐纳米管的可控合成及其催化和其他性能研究，都面临很大的困难。本项目主要发展建立比较完善的基于仿生合成路线的液相软化学方法制备金属磷酸盐纳米管材料的方法学，深入研究其合成机理，成功合成了一系列金属磷酸盐纳米管材料以及复合金属磷酸盐纳米管材料；对这些金属磷酸盐纳米管材料及其层状中间体材料进行相应处理转化，成功制备了一些新颖的二维纳米薄片材料；对这些金属磷酸盐纳米管及其衍生的二维纳米薄片材料的催化、电催化、电化学储能等应用进行了广泛的探索研究。..首先，发展完善了以混合有机胺为模板剂的仿生合成路线，成功合成了包括磷酸钴，磷酸锌，磷酸铁，磷酸钙，磷酸铜，磷酸镍，磷酸铝等在内的一系列金属磷酸盐纳米管，并通过掺杂、离子交换等手段获得了复合金属磷酸盐纳米管材料，初步建立了比较完善的基于仿生合成路线的液相软化学方法制备金属磷酸盐纳米管材料的方法学和材料库。其次，发现并巧妙利用层状结构中有机无机组分相互限制生长转化的相关性，利用金属磷酸盐纳米管及其中间体层状结构的特点控制其限域转化，成功制备出超薄的SAPO分子筛薄片材料和具有三明治夹层结构的磷酸铁锂/石墨烯复合纳米薄片材料，其分别显示出优异的酸催化性能和锂离子电池性能。第三，对金属磷酸盐纳米管材料的催化、电催化性能探索研究中，发现金属磷酸盐纳米管显示出较其他普通形貌更高的催化活性，如磷酸铜纳米管对醇类有机物的电催化氧化活性均明显高于相应的磷酸铜纳米片，研究表明，磷酸铜纳米管中的二价Cu离子更活泼，导致其高的电催化氧化活性；羟基磷灰石纳米管表面结构有利于负载的贵金属钯高分散和稳定，显示出比羟基磷灰石纳米颗粒载体更优异的催化活性（乙烯乙炔选择性加氢）和稳定性。此外，纳米管孔结构本身可能还有利于反应中的传质，从而有助于其催化性能表现。这些研究结果不仅加深了对金属磷酸盐纳米管材料及催化性能的认识，而且获得了一些具有自主知识产权的创新成果。.