納米碳材料在氣相反應中的催化性能和機理研究.pdf

1、納米碳材料因其獨特的物理化學性質，可以直接作為催化劑用于各類催化反應中，有望替代金屬催化劑被廣泛地應用到催化領域。研究表明，納米碳材料的表面性質對其催化性能至關重要。本論文根據(jù)不同氣相催化反應要求，調變納米碳材料表面的結構和組成，設計并制備了具有不同表面缺陷、官能團或雜原子濃度的三類納米碳材料催化劑，分別用于催化甲烷裂解、丙烯醛和丙烯醇選擇氧化反應中，表現(xiàn)出較高的催化活性。結果如下:
　　(1)通過改變焙燒溫度成功地研制了具有不同

2、石墨層厚度和表面缺陷數(shù)量的納米金剛石催化劑。該催化劑在催化甲烷裂解反應中表現(xiàn)出良好的抗積碳能力和催化穩(wěn)定性，并得到具有薄層石墨烯結構的副產物。研究了不同焙燒溫度處理納米金剛石的結構性質與其催化甲烷裂解性能之間的關系，確定反應活性中心是表面上不飽和石墨烯層邊緣或石墨烯層上的空缺位。結合理論模擬和實驗結果，進一步提出了甲烷裂解是一個多步驟的裂解過程。
　　(2)結合濃硝酸和氧氣處理的方法對納米碳管表面進行選擇性地含氧官能團化處理，同時

3、對其表面性質進行了系統(tǒng)地表征，并作為催化劑應用到催化丙烯醛選擇氧化反應中。研究表明，這種氧官能化處理能產生更多的表面活性氧，而且大幅度地提高了納米碳管的催化活性。其中，最高的丙烯酸產率達到40.8％。通過系統(tǒng)地選擇性調變納米碳管的表面氧官能團種類，并對其進行催化性能測試，確定催化丙烯醛選擇氧化反應的活性位是橋氧和內酯官能團，這一結果通過丙烯酸生成速率與活性氧含量之間良好的線性關系得到證實。結合動力學測試和催化性能結果，闡述了催化丙烯醛選

4、擇氧化反應路徑，提出了可能的反應機理。
　　(3)高效可控地合成不同氮含量的摻氮納米碳管，并將其作為催化劑應用于丙烯醇選擇氧化。結果顯示，摻氮納米碳管表現(xiàn)出比其他未摻雜碳材料更優(yōu)異的催化活性。通過對其表面結構性質的分析，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)異催化活性與比表面積無關，主要與引入的氮原子相關，而且隨表面氮含量的增加而提高。此外，著重研究了表面無序炭對其催化活性的影響，結果顯示反應催化活性與樣品的石墨化程度有關，而且得出石墨氮含量提高有利于反應的進