层状介孔mpg-C3N4/LDO催化剂的组装、限域催化及其应用

Preparation of compounds containing oxygenic functional groups through introduction of oxygen atoms to the hydrocarbon compounds by catalytic oxidation is an important method to improve the additional value of petrochemical resources, and it has very important strategic significance for promoting the development of the petroleum and chemical industry. The key of the technology is the preparation of catalysts with high selectivity. Improvement of the selectivity of the selective oxidative catalyst is an important research for many years. In this subject, mesoporous and layered mpg-C3N4/LDO will be synthetised by the assembly of layered double hydroxides (LDHs) and a facile chemical pyrolysis method, which is based on the self-condensation of melamine dicyandiamide and cyanamide to generate g-C3N4. The activities of mpg-C3N4/LDO will be evaluated by selective oxidation of toluene to benzaldehyde. Mpg-C3N4/LDO will be characterized by XRD, XPS, TEM, SEM, TG-DSC, BET, etc. The results obtained will be related to performances of mpg-C3N4/LDO in selective oxidation of toluene to benzaldehyde. The method of layer-by-layer sefl-assembly and Relationship of inorganic layer and organic layer will be suggested. The performances of generation of g-C3N4 on LDHs sheets and the nano-confined catalytic characters of mpg-C3N4 will be discussed. The research may provide data of synthesis and confined catalytic properties of mesoporous and layered mpg-C3N4/LDO and key technology for applicaton of graphite carbon nitride catalysts and selective oxidation of toluene to benzaldehyde.

通过催化氧化在烃类化合物中引入氧原子，制备含氧官能团化合物是提高石化资源附加值的重要方法，对于提升石油化工产业的发展具有重要的战略意义。该技术的关键是制备高选择性的氧化反应催化剂。本项目拟通过复合金属氢氧化物（LDHs）的可控层层组装和硬模板上热解缩聚含氮有机物前驱体的方法，组装由复合金属氧化物（LDO）和介孔石墨基氮化碳（pmg-C3N4）构成的层状介孔高选择性mpg-C3N4/LDO催化剂，以甲苯选择氧化合成苯甲醛为探针反应，并采用XRD、XPS、TEM、SEM、TG-DSC、BET等对催化剂进行表征，关联结构及其催化性能数据，揭示无机-有机杂化的层状介孔材料的组装及层孔变化规律、LDHs模板调变及LDO对mpg-C3N4的影响，层状介孔mpg-C3N4/LDO催化剂上分子活化及其限域催化反应特性，为开发高性能石墨基氮化碳催化剂和甲苯选择氧化合成苯甲醛新技术提供基础数据和关键技术。

石墨基氮化碳是近年来备受关注的新材料，研究石墨基氮化碳的合成、结构调变及其应用具有十分重要的意义。本项目围绕石墨基氮化碳的合成、结构调变及其在催化氧化中的应用开展研究。在氮化碳合成方法的研究中，项目采用动态气体辅助离层法、超分子自组装法、水热法和软模板法等，合成出管状结构氮化碳和超薄多孔氮化碳。在氮化碳的改性研究中，项目组采用过渡金属对氮化碳进行掺杂改性，制备出氮化碳基催化剂；项目组通过氮化碳与二氧化钛、氮化碳与碘氧化铋，组装出不同异质结的新型光催化剂。在可见光催化氧化亚甲基蓝、盐酸四环素等有机污染物中，具有优异的催化性能，其中管状氮化碳光催化降解亚甲基蓝和盐酸四环素的速率常数分别达 0.0265 min-1 和0.0110 min-1，分别是是块状g-C3N4的3倍和7倍。由g-C3N4与BiOI组装的BCN催化剂对盐酸四环素的光催化氧化速率的一级动力学常数为（0.0309 min-1），分别是BiOI (0.0079 min-1)的3.9倍、MCA (0.0068 min-1)的4.5倍以及MCN (0.0014 min-1)的22.1倍。由钴改性的石墨相氮化碳对催化氧化甲苯合成苯甲酸具有很好的催化活性，在25℃和0.6MPa氧气压力下，反应15小时，甲苯的转化率为97.9%，苯甲酸的选择性为95.7%，催化剂循环反应5次，未观察到催化剂失活现象。在V掺杂的g-C3N4上，甲苯高选择性地转化为苯甲醛，甲苯的转化率为5.1%，苯甲醛的选择性为99.9%，项目组还研究了MOFs材料的孔结构设计及其性能调变规律；开展了氮化碳新材料在环境和能源等方面的应用研究，其相关技术在空气净化器的生产上得到了很好的应用。项目实施过程中，培养了6名硕士研究生，发表了13篇高质量的研究论文，申请了9件发明专利，其研究成果将在环境催化和精细化工领域得到应用，促进相关产业的技术进步。