基于水热碳化生物质法的纳米催化剂设计与合成

In the past decades carbonaceous nanomaterials synthesized via hydrothermal carbonization (HTC)process of biomass have been extensively studied and applications in many areas have been revealed such as drug delivery, energy storage, water purification , gas sensor and catalysis. Because of the active functional groups abundant in both the carbonaceous intermediates and as-prepared materials, metal or nonmetal additives could be easily interacted with the carbonaceous materials through convalent bond, ionic bond, coordination bond, hydrogen bond, etc. Following the theory this project mainly aims at the design, doping and modification of the carbonaceous materials during or after the HTC process.Different carbonaceous materials will be synthesized with certain morphology, structure and physical chemistry property. Then selective oxidation of alcohols will be carried out to evaluate the effect of these materials as catalyst supports. The difference between the carbonaceous materials will be investigated to show their impacts on metal immobilization and catalysis. Therefore development of novel carbonaceous materials based catalysts for alcohol oxidation, which are easy to prepare and excellent in activity and selectivity, could be expected. This project not only paves a way for construct efficient catalysts for alcohol oxidation, but also expands the applications for carbonaceous nanomaterials synthesized via HTC process. Moreover it will benefit the interdisciplinary study for chemistry, material science, environmental science and energy science.

水热碳化生物质法合成的碳基材料已得到了国内外科学家们的广泛研究，在诸多领域取得了丰硕的成果。本项目旨在利用水热碳化中间体以及最终产物均含有丰富活泼官能团的特点，通过其与金属或非金属的相互作用，在制备过程中实现对材料的设计、掺杂和修饰，制备出多种特定形貌、结构以及物理化学性质的碳材料，并探索其作为载体在催化醇氧化反应中的效果，揭示其物理化学性质对金属固载乃至催化效果的影响作用，发展结构优化、合成简便、高效高选择性的催化剂和催化体系，并以此为设计合成新型非均相催化剂提供一定的理论基础和技术指导。本项目不仅为制备新型醇氧化催化材料提供一条崭新的途径，也可促进化学、材料、环境和能源等学科的交叉融合，具有重要的学术意义和应用前景。

近年来，纳米材料与技术在诸多领域引起了广泛的重视，成为国际上研究与开发最为活跃的领域之一。新型纳米结构材料的不断出现，新的纳米合成技术的不断完善，新的界面分析技术的不断成熟，为催化研究提供了诸多新的方法和结构控制手段。利用纳米材料进行非均相催化已经得到诸多的关注，人们已经成功实现了诸多高效的纳米催化反应，其中不同的催化剂载体对于反应有着截然不同的效果。本项目主要研究表面修饰碳球及钛酸钠纳米带作为催化剂载体的作用，主要内容如下：.1)利用氨基化碳球固定化辣根过氧化物酶，固定化酶显示出良好的pH及温度耐受性，具有更长的保存期和更好地重复使用性。利用固载酶在双氧水存在的条件下去除水中的苯酚类化合物，结果显示氨基化碳球能显著增强酶的活性。本课题对研制绿色、经济的新型酶固定化载体材料和高效、简单的含酚污水处理技术具有重要的科学意义。.2)对碳球进行氨基化及磷基化表面修饰，随后通过原位吸附和还原方法将不同尺寸大小的钯纳米晶固载在修饰碳球上，将其应用于钯催化转移加氢及醇氧化反应中，发现在温和条件就能得到很好的效果，对于不同底物都能达到很好的转化率及选择性，这种纳米催化剂具有可再生性、制备方法绿色和易操作等诸多优点。.3)通过碱溶液水热碳化的方法制备出钛酸钠纳米带，其作为载体能够很好的促进钯催化无溶剂醇氧化反应的进行，醇还原的方法能够产生更小的钯纳米粒子并能体现出更好的催化效果，此外反应的选择性能够通过除去钛酸钠纳米带中的水而得到极大的提高，载体的碱性增强可能是选择性增高的原因。该课题对设计合成高效醇氧化非均相催化剂具有一定的指导意义。