多壳层中空介孔核-壳结构的设计及功能化纳米反应器的构筑

Cascade reactions that allow a consecutive series of chemical reactions to proceed in a concurrent fashion, have attracted intensive research attention owing to their high atom economy, step-saving and biomimetic nature. In this project, by combination of dual templates and LBL technique, the catalytic functionalities including basic-acidic groups and BA-LA sites could be located in a controlled manner either in the core or on the shell of mesoporous yolk-shell structures. The catalytic efficiency of these mesoporous yolk-shell structures with multilayered as nanoreactors expected to be outstanding due to the combined advantages of mesostrucutres, hollow interior and yolk-shell structures. This synthetic method could be extended to the synthesis of various functionalized mesoporous yolk-shell structures with multilayered shells, thus providing a general approach for the fabrication of multifunctional nanoreactors.

随着精细化工工艺要求的不断提高和人们环保意识的不断增强，能够变多步催化反应过程为一步反应的多功能催化材料逐渐成为新材料领域的研究热点。本项目拟通过复合模板法结合层-层沉积技术，设计并合成具有不同组成的多壳层介孔中空核-壳（蛋黄-蛋壳）材料。实验中，将每一壳层与内核分别引入不同种类的多相催化活性中心，构筑酸-碱或者B酸-L酸多功能纳米反应器，实现多步催化反应的一步化。这种纳米反应器同时具有多壳层、有序介孔和中空（蛋黄-蛋壳）结构，在催化反应中可实现三种结构优势的结合，有望得到高的反应活性和特定产物的选择性。采用各种精确的表征手段，从材料的形成机制入手，深入理解多壳层结构的合成方法-结构-催化性能之间的关系，为新型多功能催化材料的定向设计提供指导。

随着精细化工工艺要求的不断提高和人们环保意识的不断增强，多功能催化材料逐渐成为新材料领域的研究热点。近几年，适用于串联催化反应或新能源催化合成的功能材料一直是材料领域的研究热点。本项目立足于催化材料的多功能性，设计并合成不同组成的多壳层或介孔纳米反应器，分别在串联催化反应和产氢催化反应中展现了优异的催化活性。本项目完成了预定的计划。同时，在项目执行期间，国内外关于介孔纳米反应器的研究工作一直层出不穷，我们围绕着本项目的主旨，即以不同的结构提高孔材料的传质为出发点，对项目研究进行了充分的拓展。本项目完成的计划情况如下：借助有机硅通过一步原位合成的方法，制备了酸-碱双功能介孔二氧化硅催化剂，实现了典型的酸-碱催化的串联反应；以PS微球作为硬模板，共缩聚方法获得酸碱双功能双壳层中空介孔SiO2纳米反应器；以聚苯乙烯小球为模板，采用层层沉积法，实现了中空双壳层同质异相结构SiO2纳米球的成功合成；通过原位合成法制备出具有宏观形貌、氨基修饰的介孔硅铝微球，获得酸碱双功能介孔SiO2微/纳反应器；通过加入有机阳离子添加剂，获得双介孔SiO2基纳米反应器；以阴离子交换树脂为硬模板，采用水热合成法制备多种多孔纳米反应器，实现了催化氧化反应的高转化率和高选择性；采用微乳液聚合辅助的方法，制备了由多个纳米氧化铁颗粒为核、介孔SiO2为壳的双介孔核壳纳米反应器；构筑多酸中心双壳层纳米反应器，并成功应用于连续生物质转化催化反应中；以石墨相氮化碳为基体，构筑了几种多孔纳米反应器，实现了高效催化产氢催化剂和碱催化剂的设计合成。采用多种表征手段，从材料的形成机制入手，深入理解多种介孔纳米反应器的合成方法-结构-催化性能之间的关系，为新型多功能催化材料的定向设计提供指导。