氮掺杂多孔碳材料负载超细钯纳米颗粒催化剂的制备及其催化加氢研究

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负载型超细Pd纳米催化剂的性能受到纳米颗粒尺寸大小、微观形貌、载体以及金属-载体强相互作用等影响。研究表明,将超细Pd纳米颗粒(NPs)稳固在合适的载体上是调节催化剂性能的常用手段。理想型载体不仅能提高Pd NPs分散度使粒径分布变窄,还能降低Pd的使用量、减小经济成本,增强金属-载体强相互作用,进而提高催化剂的重复使用性、降低金属流失和聚集。在众多载体材料中,氮掺杂多孔碳材料因富电子氮的引入可牢固锚定Pd NPs、抑制Pd NPs的团聚而广为人知。本文围绕不同的前体设计出不同的氮掺杂多孔碳材料负载超细Pd纳米催化剂,并应用于不同的催化加氢反应中。主要研究内容如下:(1)基于绿色可持续发展需求,我们利用廉价的生物质废弃物为原料通过简单高温碳化得到高比表面积的氮掺杂多孔碳材料PNCM,并作为负载Pd NPs的载体。由于原位掺杂的氮原子或基团与Pd NPs相互作用,使Pd NPs均匀而稳定地分散在PNCM表面和孔道结构中,相比于商业Pd/C,得到的Pd/PNCM催化剂在绿色温和条件下对苯酚加氢具有极高的催化活性。(2)非均相催化反应中,载体形貌对催化剂的稳定性和活性至关重要,于是我们设计了氮掺杂中空多孔碳纳米球(HCNs),并用于负载超细Pd NPs。实验结果表明所得的Pd/HCNs催化剂在5-羟甲基糠醛选择性氧化和硝基化合物加氢反应中凸显出卓越的活性和耐用性。(3)为进一步扩宽催化剂载体的种类、设计团簇型催化剂,我们以尺寸选择性UiO-66-NH2和化学稳定性共价有机聚合物(COP)为载体,Pd纳米团簇为活性位点设计了Pd纳米团簇掺杂的核-壳纳米反应器,即UiO-66-NH2@COP@Pd催化剂。该催化剂由于核UiO-66-NH2、壳COP和活性中心Pd纳米团簇三组分之间的协同作用,在硝基化合物加氢和4-硝基酚还原反应中表现出优异的反应效果。本文研究成果有望为调控Pd原子利用率最大化,构筑杂原子掺杂多孔碳材料负载超细Pd NPs催化剂及其在催化加氢反应中的实际应用提供一定的实验基础。
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