芳环加氢炭负载型多相催化剂的多尺度设计及研制

Porous carbon supported nano metal catalysts play an extremely important role in the industrial catalysis field. In recent years, with the development of the nitrogen doped porous carbon materials, the high catalytic activity and long term stability of the nitrogen doped porous carbon supported metal catalysts attract special attention. However, the design of high catalytic activity and high selectivity nitrogen doped porous carbon supported nano metal catalysts and understanding the intrinsic catalytic mechanism is still a big challenge. In this project, in search for a suitable catalyst for the chemoselective hydrogenation of aromatic compounds for example benzoic acid and derivatives, new nitrogen doped hierarchically porous carbon will be designed and synthesized at first, these functional carbon materials were then be used as supports for the deposition of nanometals and the as made catalysts will be used as heterogeneous hydrogenation catalysts for the chemoselective hydrogenation of aromatic compounds. The research will focus on the interaction between the nitrogen doped carbon supports and the nano metal and the improvement of the mass transport induced by the hierarchical pores. The intrinsic relationship between the carbon structure and the catalytic activity will be finally given after evaluating by both experiments and theoretical calculations. The realization of this project would provide important guidance for the new catalysts design and synthesis.

多孔炭负载的纳米金属催化剂在多相催化领域起着十分重要的作用，近年来随着氮掺杂炭材料的出现及不断发展，氮掺杂的多孔炭材料负载的纳米金属催化剂表现出的优异性能受到了人们的广泛关注，然而如何设计并制备高活性、高选择性的氮掺杂炭材料负载金属催化剂并深入理解其催化作用本质依然是一个具有挑战性的课题。本项目拟设计制备氮掺杂的多级孔炭材料负载纳米金属用于催化芳环类化合物的选择性加氢反应，从涉及到载体和金属之间相互作用的原子、分子尺度以及涉及到扩散与传质的原子群尺度深入探索研究氮掺杂及多级孔结构对反应的影响规律，揭示催化剂的微观结构与催化活性之间的内在本质联系，为新型氮掺杂多级孔炭负载纳米金属催化剂的设计和制备提供重要的参考与指导。

在化学工业中，绝大部分产品的生产开发都涉及到多相催化，负载型多相催化剂的多尺度设计及研制在化学化工领域具有重要的理论意义和实用价值。影响负载型多相催化剂效率的关键在于载体的设计、活性中心的微观调控以及载体与活性中心的协同。因此，负载型多相催化剂的设计与研制必须要考虑到原子、分子水平的相互作用与分子群水平的扩散与传质等多个尺度对催化反应性能的影响。本项目以芳环化合物催化加氢为模型反应，针对炭负载型多相催化剂中多孔炭载体的设计、金属纳米颗粒的基元调控以及金属-炭强相互作用的构建进行探索优化。项目发明的“发泡法”有效结合物理膨胀和化学活化，以原始生物质及其衍生物为碳源，以碳酸盐或碳酸氢盐为活化剂，制备得到大孔、介孔及微孔丰富的多级孔炭材料。这种多级孔道结构一方面可在多尺度上加速传质，甲苯加氢性能提升一个数量级左右；另一方面可有效分散金属活性组分，利于多个金属组分的均匀混合，形成结构均匀的纳米合金催化剂，多组分之间的协同作用明显提升苯甲酸的催化加氢性能。此外，该方法还可通过采用含氮的原料对多级孔炭进行原位氮掺杂，氮元素的引入一方面增强金属活性组分与炭载体的相互作用，提升催化剂的稳定性，另一方面改变纳米金属的电子结构，进而精准调控反应活性和选择性，实现目标产物的可控合成。