寡层石墨烯包裹金属纳米颗粒耐酸催化剂的可控合成与催化性能研究

Metal catalysts have extensive applications in catalytic hydrogenation reactions. In recent years, precisely-designed metal nanocrystals have attracted great attention due to their excellent catalytic activity. The highly active metal nanocrystal catalysts, however, still suffer from some main problems on their way to the practical applications. For example, the high unstability of highly active metal nanocrystal catalysts makes them easy to be corroded and lose their catalytic activity in the reaction process, especially in harsh environments. We have previously succeeded in the synthesis of few-layer (1-3 layers) graphene coated nickel nanoparticle catalyst, which shows excellent catalytic hydrogenation performance and excellent stability in highly acidic reaction system. In this project we will further develop solution chemistry- pyrolysis route to synthesize the few-layer graphene coated metal nanoparticle including nickel, combined with the organic templates(precursor as carbon source)-induceds synthetic method. We will also change the synthetic parameters to study the rule and mechanism of the synthesis to obtain the reliable control means for few-layer graphene coated metal nanoparticles, and look for the relationship between the properties and the chemical component & structure(especially the influence of the thickness and structure defects of graphene coating on the catalytic performance and stability), and study their catalytic hydrogenation performance in the acidic reactions, to explore their applications in some important liquid phase reactions in order to obtain creative catalytic materials with advanced performance.

金属催化剂在加氢领域具有广泛应用。近年来，精确设计合成的纳米金属颗粒显示出优异催化活性引起了很大关注。但是高活性的纳米金属催化剂在走向实际应用中仍面临着一些主要的问题，如高度不稳定性，在反应过程中特别是较为苛刻的反应环境中很容易发生结构变化，导致催化活性下降甚至失活。我们在前期工作中成功合成了寡层（1-3层）石墨烯包裹的金属镍纳米颗粒材料，初步研究显示其在强酸性反应体系中仍具有优异的催化加氢性能和稳定性。本项目旨在进一步发展溶液化学-热解路线合成包括镍在内的寡层石墨烯包裹过渡金属纳米颗粒材料，通过与有机模板（碳源前体）合成相结合，调节合成参数，研究其合成规律和形成机理，获得寡层石墨烯包裹金属纳米颗粒的可靠控制手段，研究其性能与化学组成和结构的关系，详细研究石墨烯包裹层厚度、结构缺陷对催化性能和稳定性的影响，重点研究开发其在一些重要酸性液相反应中的催化加氢性能及应用，获得性能优越的催化材料。

金属催化剂在加氢领域具有广泛应用，特别是精确合成的纳米金属颗粒显示出优异催化活性引起了很大关注。但是高活性的纳米金属催化剂在走向实际应用中仍面临着一些主要的问题，如高度不稳定性，在反应过程中特别是较为苛刻的反应环境中很容易发生结构变化，容易中毒、烧结长大，导致催化活性下降甚至失活。本项目致力于开发耐酸石墨烯包裹金属新型催化材料，主要发展溶液化学-热解路线合成包括镍在内的寡层石墨烯包裹过渡金属纳米颗粒材料，通过与有机模板（碳源前体）合成相结合，获得寡层石墨烯包裹金属纳米颗粒结构和组成的可靠控制手段，同时研究其在一些重要酸性液相反应中的催化加氢应用。项目研究在发展基于溶液化学-热解路线制备寡层石墨烯包裹金属纳米颗粒材料及其催化性能两方面取得了一些创新性成果：采用溶液化学-热解路线从溶液合成片状有机-无机前驱体出发，通过优化碳化条件成功获得了金属颗粒大小均一、寡层（1-3层）石墨烯包裹的镍金属颗粒催化剂，并发现其具有优异的催化加氢性能以及非常突出的耐酸、抗中毒性能，其在空气中120℃可以稳定存在不被氧化；深入研究揭示了这一类新颖镍基加氢催化材料抗酸、抗氧化、抗中毒性能的本质原因：寡层石墨烯缺陷只允许氢分子通过。进一步，对其在硫酸溶液中硝基苯选择加氢一步制对氨基酚反应进行了多次套用及稳定性研究，取得了很好的结果，为今后的转化应用打下了良好的基础。此外，首次采用离子交换方法制备了金属氧化物包裹金属颗粒的包围型催化材料，并发现其具有相互改变的界面结构，表现出优异的催化活性和很高的使用稳定性。寡层石墨烯或金属氧化物壳层包裹金属颗粒所形成的包围型催化剂具有显著优于传统负载型催化剂的催化性能、抗中毒性能和稳定性。这些催化机理研究和发现不仅具有重要的科学意义，对设计开发高性能催化剂具有重要指导意义，而且开发的包围型催化剂可望成为传统负载型催化剂的升级版，具有巨大的工业应用潜力和价值。