铜/氮掺杂碳界面酸碱协同CO2催化固化的研究

作     者：刘永兴 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李新昊;陈接胜

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：碳材料 莫特-肖特基效应 酸碱双催化 CO2固化 碳酸酯 界面调控 

摘      要：随着社会的发展,对温室气体CO进行吸附和转化的研究已经引起了广泛的关注。目前,对CO利用的研究主要集中在电催化和有机催化两个领域。有机催化是在催化剂的作用下,将CO转化为包括碳酸酯、羧酸、酰胺等在内的一类高附加值有机物。其中,碳酸酯类化合物被广泛应用在锂离子电池电解液、极性非质子溶剂、合成聚碳酸酯的单体等领域。传统的化学合成路径存在污染毒性大、选择性差、条件苛刻的缺点。而CO与环氧化物环加成合成碳酸酯的反应是一种高效利用CO、高选择性地合成碳酸酯的途径。该反应是典型的酸碱催化反应,通常可以通过引入昂贵有机配体的方式来构造酸碱催化中心。但是,目前还没有一种廉价构筑高效可控酸碱中心的办法,使其能够在更加绿色、温和的条件下反应。二维碳材料因其高比表面积、多活性位点、高吸附能力,在催化、储能、吸附、分离等领域发挥着重要的作用。我们利用碳材料氮掺杂碳与对CO催化活性较高的金属铜二元复合材料界面间的肖特基势垒,借助界面电荷转移效应,构筑了贫电的酸性中心和富电的碱性中心。实验表明,电子从酸性中心铜纳米粒子端转移到富电的氮掺杂碳载体上,实现了高效催化CO环加成合成碳酸酯的反应。本文主要研究内容如下:(1)铜/氮掺杂碳界面催化CO固化条件优化的研究利用软模板法合成了高比表面积的二维氮碳材料。通过氮掺杂、低含量铜负载,合成了目标催化剂铜/氮掺杂碳(Cu/NC)二元复合材料,其具有高比表面积、高氮含量、低金属量等特点,能够高效催化CO与氧化苯乙烯合成苯乙烯环状碳酸酯。并通过条件优化,确定了该催化剂催化该反应的最优条件。(2)铜/氮掺杂碳界面催化CO固化机理的研究通过对催化剂电荷分布的探究,确定了催化活性中心,进一步对催化机理进行探究。通过对活性中心的调控,实现酸碱双功能活性的协同增强。由于莫特-肖特基效应,当增强酸性中心铜的酸性时,会显著增强碱性中心碳氮载体的碱性。反之亦然。该类型催化剂,由于两组分间的强相互作用,表现出非常好的普适性、循环稳定性以及活性。TOF值是目前报道的同类型催化剂的十倍以上。