淀粉基核壳结构磁性炭材料的合成、结构和催化性能研究

从分子水平到纳米尺度范围内调控多孔炭材料的孔隙结构和物理化学性能，创制在催化、吸附等领域有广泛应用前景的功能独特的炭材料是国内外关注的重要前沿课题。本项目提出以价廉易得且化学组成和结构独特的淀粉为碳源制备核壳结构磁性炭，从分子层面和产品工程的角度，研究调控这种结构新颖、性能独特的炭材料的孔隙结构、表面化学性质、磁性能和催化性能的技术方法；揭示酶(酸)催化、交联作用、多元醇还原、溶胶-凝胶、催化炭化等对核壳结构磁性炭的形貌、颗粒尺寸和分布、孔隙结构、表面化学和磁性能的影响规律。采用湿热、退火、微波、水热等改性方法调变淀粉分子结构，揭示淀粉分子结构、金属种类、炭化工艺等对磁性炭核壳结构的影响规律；诠释核壳结构磁性炭中不同尺度孔隙的成孔机理和磁性能演变规律。以苯甲醇需氧氧化反应为探针，研究磁性炭载体结构-组成-表面化学-催化性能之间的规律关系。为功能性炭材料的创制及其结构－性能的调变提供新思路。

从分子水平到纳米尺度范围内调控炭材料的孔隙结构和物理化学性质和性能是国内外关注的重要课题之一。本课题基于廉价生物质淀粉来源广泛、价格低廉且分子结构、物理化学性质可调的特点，研究建立了制备淀粉基核壳结构磁性炭的新方法和新技术，揭示了淀粉的化学结构和组成与磁性炭的形貌、结构和组成和催化性能的内在规律关系，发现钌基磁性炭催化剂对苯甲醇选择氧化制备苯甲醛显示出较好的催化反应活性，且该催化剂在外加磁场作用下易于从反应产物中分离和回收，解决了贵金属催化剂分离回收难的问题。研究并建立了一种简单可行的制备氮掺杂的大孔-中孔-微孔分级孔结构磁性炭微球的新技术方法，发现预处理过程是影响分级孔磁性炭形成的决定性因素。综合交联、接枝共聚改性、共吸附和控温热解炭化等工艺，研究建立了制备准环形淀粉基核壳中孔结构磁性炭的新方法。基于淀粉基核壳结构磁性炭，发展了一种制备中空纳米碳囊的制备技术和方法。融合凝胶化、真空冷冻干燥、控温热解炭化等技术，建立了一种具有普适性的制备三维网状整体炭材料的方法，成功实现了三维网状整体大孔炭材料的合成，研究揭示了淀粉的凝胶化特性与其形成的三维网状整体大孔炭材料的结构和性质之间的关系。基于糖类生物质在水热的条件下易产生与非离子表面活性剂组装的聚呋喃结构中间体的特点，辅以软模板技术，研究并建立了一种制备中孔结构蠕虫状碳/CNT复合材料的新方法，发现该材料作为一种电极材料具有较好的电催化性能。研究并建立一种CNT/金属氢氧化合物复合材料基于碳纳米管负载的钌催化剂，发展了一种以空气为氧化剂，水为溶剂，Ru/CNTs为乳化剂和催化剂的乳液催化新方法，成功实现了苯甲醇选择氧化制备苯甲醛，揭示了CNTs作为乳化剂和催化剂的乳液催化机制。.项目执行期间，申请专利2项，在本学科主流的国内外学术刊物和会议接收发表论文40余篇，SCI检索收录15篇，国际会议口头报告5次。荣获2011国际炭会议最佳墙报奖（10个/400余篇）。独立指导硕士生5人（在读4人），本科生9人；协助指导博士生5人（在读3人）；硕士生6人（在读3人）。指导培养的1名自筹经费硕士生荣获“优秀硕士研究生奖学金”和“研究生国家奖学金”。