北理工團(tuán)隊(duì)在Ti單原子催化劑高效光熱催化、熱催化二氧化碳環(huán)加成方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期:2024-05-28 供稿:材料學(xué)院 戎宏盼 攝影:材料學(xué)院
編輯:牟雪嬌 審核:程興旺閱讀次數(shù):js5金沙2004cm材料學(xué)院戎宏盼副教授、化學(xué)與化工學(xué)院張加濤教授設(shè)計(jì)制備了介孔氮氧摻雜碳納米片負(fù)載的鈦單原子催化劑(Ti-CNO),并將其用于光熱催化CO2與氧化苯乙烯的環(huán)加成反應(yīng)。相關(guān)研究成果以“Single-Atom Titanium on Mesoporous Nitrogen, Oxygen-Doped Carbon for Efficient Photo-thermal Catalytic CO2 Cycloaddition by a Radical Mechanism”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》(DOI:10.1002/anie.202404911)。js5金沙2004cm為唯一通訊單位,js5金沙2004cm材料學(xué)院2021級碩士研究生王一凡為本文第一作者,戎宏盼副教授和張加濤教授為論文共同通訊作者。
針對“雙碳”國家重大應(yīng)用需求的CO2轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品,開發(fā)高效、低成本的催化劑具有重要意義,同時(shí)也面臨巨大挑戰(zhàn)。在各種CO2的化學(xué)固定方法中,CO2環(huán)加成反應(yīng)具有100%碳利用率和巨大的經(jīng)濟(jì)效益,其產(chǎn)物碳酸酯被廣泛用作二次電池的電解質(zhì)、聚碳酸酯的前驅(qū)體和非質(zhì)子極性溶劑,因而備受關(guān)注。例如,在氧化苯乙烯中插入CO2,合成碳酸苯乙烯酯,同比價(jià)值提高了14700 倍。然而,苯基的空間位阻高,吸電子能力弱,使得此加成反應(yīng)進(jìn)行較困難;同時(shí),此反應(yīng)的自由基機(jī)理尚未達(dá)成一致。因此,亟需設(shè)計(jì)與制備一種能夠高效轉(zhuǎn)化氧化苯乙烯與CO2的催化劑。
研究團(tuán)隊(duì)采用兩步法將Ti單原子引入介孔氮、氧摻雜碳納米片(Ti-CNO)中以提高光熱催化CO2環(huán)加成性能。在6 h內(nèi),優(yōu)化的13.3 Ti-CNO獲得了較高的碳酸苯乙烯酯產(chǎn)率(98.3%),遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于CN(27.1%)。此外,在連續(xù)10個(gè)循環(huán)中,它表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性。其催化性能的增強(qiáng)源于Ti的引入導(dǎo)致光熱效應(yīng)的增強(qiáng)和豐富的介孔所暴露的更多Lewis酸/堿位點(diǎn)。此外團(tuán)隊(duì)還闡明了CO2環(huán)加成反應(yīng)的自由基新機(jī)理,證明Lewis酸、堿位點(diǎn)分別將底物活化為氧化苯乙烯?+和CO2??,這些關(guān)鍵自由基的產(chǎn)生在環(huán)加成過程中起到?jīng)Q定性作用。通過EPR直接觀測到中間產(chǎn)物氧化苯乙烯?+,以及通過原位紅外光譜觀測到吸附的氧化苯乙烯,為這一新機(jī)理提供了有力支持。本研究為通過合成新穎的單原子催化劑用于光熱催化CO2固定制備高價(jià)值化學(xué)品提供了一種策略。
圖1. Ti單原子催化劑光熱催化氧化苯乙烯與CO2環(huán)加成反應(yīng)性能
圖2. Ti單原子催化劑的形貌、成分及配位表征
圖3. 反應(yīng)關(guān)鍵活性自由基的表征
圖4. Ti單原子催化劑催化環(huán)加成反應(yīng)機(jī)理研究
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202404911
Single-Atom Titanium on Mesoporous Nitrogen, Oxygen-Doped Carbon for Efficient Photo-thermal Catalytic CO2 Cycloaddition by a Radical Mechanism
Yifan Wang, Huimin Liu, Qiujin Shi, Zerui Miao, Haohong Duan, Yiou Wang, Hongpan Rong* and Jiatao Zhang*
附作者簡介:
王一凡,js5金沙2004cm材料學(xué)院2021級碩士生,導(dǎo)師戎宏盼副教授,研究方向?yàn)殁伝鶈卧哟呋瘎┑暮铣杉捌涔鉄岽呋疌O2環(huán)加成反應(yīng)性能研究,已在Angew. Chem. Int. Ed., ACS nano, Nano Res.上發(fā)表研究成果。
戎宏盼,js5金沙2004cm材料學(xué)院長聘副教授,博士生導(dǎo)師,結(jié)構(gòu)可控先進(jìn)功能材料與綠色應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成員。主要致力于納米、單原子材料的設(shè)計(jì)合成及在能源電催化領(lǐng)域的應(yīng)用研究(包括H2O、 CO2、甲醇等小分子轉(zhuǎn)化)。主持國家自然基金青年項(xiàng)目,發(fā)表SCI收錄論文50余篇,包括Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Catal., ACS Nano, Nano Res.等。擔(dān)任國內(nèi)外高水平期刊Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Matter, Chem. Eng. J., Nano Res., Sci. China Mater.等審稿人。
張加濤,北理工化學(xué)與化工學(xué)院院長,結(jié)構(gòu)可控先進(jìn)功能材料與綠色應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,英國皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士,國家優(yōu)秀青年基金、國家級領(lǐng)軍人才。從事半導(dǎo)體納米材料合成化學(xué)、組裝及其光電新能源、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。第一作者或通訊作者在Nature,Science,Chem. Rev.,Nat. Nanotechnol.,Nat. Commun.,JACS,Chem,Angew. Chem.,Adv. Mater.,Adv. Energy Mater.等國際頂級SCI學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇,研究工作已被他人引用1萬余次。目前擔(dān)任中國材料研究學(xué)會(huì)納米材料與器件分會(huì)副理事長,中國化學(xué)會(huì)理事,中國化工學(xué)會(huì)化學(xué)工程專業(yè)委員會(huì)委員,中國化工學(xué)會(huì)智能制造專委會(huì)委員,中國金屬學(xué)會(huì)功能材料分會(huì)委員等職。Science合作期刊Energy Material Advances 期刊執(zhí)行副主編,Nano Res.,PNS: MI,Rare Metals 3個(gè)SCI期刊編委。榮獲2019國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)新材料及合成杰出獎(jiǎng),中國材料學(xué)術(shù)聯(lián)盟IFAM2018青年科學(xué)家獎(jiǎng),2022/2023年愛思唯爾中國高被引學(xué)者,2023年科睿唯安高被引科學(xué)家等。
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