掺杂碳基纳米管的成分与结构调控及其催化功能化的研究

以含氮杂环化合物作前驱物制备掺杂碳基纳米管，研究其催化生长过程，揭示其制备化学规律。从实验和理论两方面，研究吡啶及其它含氮杂环前驱物经催化选择性脱氢（或脱氯）反应进而组装成掺杂碳基纳米管的反应机理。通过选用不同的含氮杂环化合物前驱物和控制反应条件，调控掺杂碳基纳米管成分与结构。利用碳氮纳米管表面N原子的锚定和配位作用及纳米管的准一维孔道限阈效应，构建负载型过渡金属(含离子)催化剂，系统和深入地研究一系列VIII族金属原子(含离子)、金属(含合金)晶粒与碳基纳米管的相互作用，特别是氮的配位和锚定作用对金属微观状态和催化性能的影响，从实验和理论上揭示新型碳基纳米复合催化剂组成、结构与催化性能之间的关系。通过调整碳氮纳米管成分与结构（含孔结构），达到调变碳氮纳米管碱性、碳氮纳米管载体与所负载的催化活性物种之间的相互作用及其催化性能的目的，设计和制备性能优异的新型碳基纳米管复合催化剂。

本项目以杂环化合物为主要原料生长碳基纳米管，通过实验和理论相结合阐明制备化学规律及生长机理，实现掺杂碳基纳米管成分和结构的有效调控及其催化功能化。通过揭示碳基纳米管的生长机理以及催化剂组成、结构与催化性能之间的关系，设计和开发了多种性能优异、有重要应用前景的新型碳基纳米复合催化剂。本项目按计划顺利进行，取得主重要创新成果，并结合执行过程中的突破性进展及国际动态，将研究内容拓展至无金属氧还原催化剂及碳基纳米笼，取得显著成效和学术影响，促进了掺杂碳基纳米管（笼）研究的系统化进程。.项目主要成果如下：.1、机理：通过理论化学计算深化了对碳纳米管六元环生长机理的认识，还获得了支持该机理的新实验证据；用定量化的实验数据揭示了1964年提出、现被广泛运用于解释一维纳米材料生长的气-液-固生长模型是由相平衡控制的，为利用相图设计纳米线生长提供了科学依据。.2、材料：结合机理认识，考察了含有不同杂原子(N、B、P、S)的前驱物生长(共)掺杂碳基纳米管的制备化学规律，实现了成分与结构调控，获得了系列新型碳基纳米管基础材料。.3、复合：利用CNx纳米管表面氮原子的锚定作用，发展了构建高分散M/CNx复合纳米催化剂(M为过渡金属)的简便方法，获得了性能优异的铂基燃料电池电极催化剂（醇氧化、氧还原）、铁基费-托合成高选择性制低碳烯催化剂；研究了过渡金属与CNx纳米管的相互作用。.4、Metal-free:发现缺电子的B掺杂也能使SP2碳在需要电子的氧还原反应中具有良好的电催化活性，揭示了掺杂使SP2碳具有氧还原活性的根源是共轭体系电子的活化，提出了设计metal-free催化剂的普适策略，并通过设计不同微结构的B、N共掺杂体系及其性能表征予以验证。.5、拓展：由碳基纳米管拓展至纳米笼，获得了一系列全新的三维超级结构碳基纳米笼，在能源转化及存储领域均展现出优异性能及巨大潜力。.本项目发表论文30余篇，获授权专利4件，国际会议上作邀请报告10余次。培养博士后2名，博士6名，硕士5名。