周颖
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隆继兰
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李映伟
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)61067-1
N掺杂碳基纳米材料由于具有高稳定性、良好的导电性、较大的孔体积和比表面积等特点而受到了国内外广泛的关注,在气体吸附、催化、电化学以及燃料电池等许多领域表现出潜在应用价值. N掺杂碳材料的制备主要采用两种方法,即后合成法和原位合成法.后合成法是指采用含 N化合物(如尿素等)对已合成的碳材料进行处理,但所制材料中 N含量往往偏低,且 N活性位不够稳定.要得到 N含量较高且稳定的 N掺杂碳材料常常采用原位合成法,即以富氮前体作为模板,在热解过程中 N原位嵌入碳纳米材料中,因而具有结构稳定, N含量丰富等优点.
金属有机骨架(MOFs)材料是一种新型的类沸石类多孔材料,是由金属离子和有机配体通过配位键键合而成的拓扑结构.该类材料具有较高的孔隙率和比表面积以及结构可调控性等特点.通过调节金属中心和配体种类,引入含 N配体,可以得到不同类型的含 N的 MOFs.此外,含 N的 MOFs在一定温度下热解能有效减少 N元素的流失,因此, MOFs是一类优秀的用于制备 N掺杂碳基纳米材料的模板材料.近年来,以含 N的金属有机骨架材料为模板,通过简单热解一步合成 N掺杂碳基纳米催化剂,已成为国内外研究的热点之一.
本文在惰性气氛中采用直接热解 Ni基 MOF方法制备了 N掺杂 C包裹的 Ni纳米颗粒,并利用 X射线粉末衍射(PXRD)、N2吸附脱附、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子吸收光谱(AAS)、X射线光电子能谱(XPS)等对该复合材料的组成和结构进行了表征.
PXRD测试结果表明,经过热解,催化剂中出现了大量的金属 Ni粒子,说明 Ni-MOF中的 Ni2+离子在热解过程中被原位还原成了 Ni纳米颗粒. N2吸附脱附结果表明,热解前的 Ni-MOF结构中只存在微孔结构,但是热解 Ni@C-N材料中生成了大量的介孔或大孔结构,从而有利于反应底物与催化剂活性位点的接触. SEM结果表明,在较低的温度下热解,催化剂可以保持 MOFs原来的构型,且结构疏松多孔；而在较高的温度下热解,如800oC,将有大量的碳纳米管生成. TEM结果表明,随着热解温度升高,催化剂中 Ni纳米颗粒逐渐增大.从 HRTEM测试结果可以清晰看出,高温热解时有石墨烯结构生成,并且生成的 Ni纳米颗粒原位嵌入了石墨烯结构中,因而有利于 Ni纳米颗粒的分散,从而提高催化剂的活性. XPS结果进一步证明,热解过程中, Ni2+被原位还原成了零价的 Ni纳米粒子,此外, N 1s谱图也进一步证明 N在热解过程中原位嵌入了生成的石墨烯结构中.
随后,以乙基苯选择性氧化为模型反应,测试了 Ni@C-N材料的催化活性.结果表明,该材料在烷烃选择氧化反应中表现出很高的催化活性和选择性,尤其是 Ni@C-N-900-8h,在温和的反应条件下,可有效催化一系列饱和烷烃的选择氧化,获得很高的氧化产物收率,且重复利用多次后其活性和选择性没有明显的下降.
关键词:
镍
,
纳米粒子
,
金属有机骨架
,
烷烃
,
氧化
,
多相催化
