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        研究进展
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        Small Methods: 设计前驱体合成空心半球碳负载碳化钼纳米颗粒:有效的非贵金属脱氢催化剂

        日期:2019-11-13

        碳化钼具有类贵金属(Pt、Pd)的电子结构、氢吸附和催化性能,且价格相对低廉,是最有潜力替代贵金属催化剂的理想催化材料,在许多催化反应中如烷烃异构化、加氢脱氢、脱硫脱氮、费托合成、电催化析氢、能源存储和转化等反应中显示了潜在的应用价值。目前,进一步提高碳化钼催化性能普遍采用的方法有杂原子掺杂碳化钼、合成1D、2D3D碳化钼纳米结构及将碳化钼纳米颗粒锚定在不同载体材料上等,其中空心和纳米多孔碳是制备碳负载碳化钼最引人关注的载体材料,制备方法主要是浸渍法和模板法,但这些方法得到的碳结构不能原位调控。因此,设计一种方法既可调控碳结构,又可抑制碳化钼颗粒长大,得到一种可以稳定碳化钼纳米颗粒的空心碳结构负载碳化钼,有望实现其催化性能的进一步提高。

        近期,太原理工大学李晋平教授团队、杜建平教授课题组和美国新泽西州立大学Asefa教授课题组合作开发了一种经过碳化自组装的无机-有机杂化材料制备空心半球碳负载碳化钼纳米颗粒的催化剂新技术,该方法通过模板辅助-前驱体设计对中空碳壳结构进行了原位调控。他们用钼酸铵、间苯三酚、甲醛和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为原料,二氧化硅为模板,将自组装得到的前驱体经过碳化和去除模板处理,即得到空心半球碳负载碳化钼纳米颗粒的催化剂。此方法简单高效、碳壳结构可调,有利于碳化钼纳米颗粒的稳定化和高分散。在制备过程中,二氧化硅作为硬膜板形成碳球中空结构,十六烷基三甲基溴化铵作为软膜板的同时起到分散硬模板、协助自组装钼源和碳源,形成包覆硅模板的无机-有机杂化前驱体,经过碳化和去膜板处理得到空心碳壳锚定碳化钼纳米颗粒的催化剂。在自组装过程中,CTAB在二氧化硅颗粒表面分散钼源,协同形成钼的无机-有机杂化前驱体;通过钼源量的改变,钼源趋向于在二氧化硅下半微球分布并形成无机-有机杂化物,进而得到空心半球碳/碳化钼纳米颗粒。该工作系统研究了中空碳结构从完整微球到碗状半球的演变过程和机理,以及钼含量在碳结构调控中的作用和功能,探究了空心碳壳结构负载碳化钼纳米颗粒在脱氢反应中的催化性能及调控策略。以碗状中空半球碳/碳化钼为催化剂,在环己烷脱氢反应中显示了优异的催化性能,在305TOF值达到10-4/s,优于非半球中空碳/碳化钼和活性炭载铂催化剂的催化性能。这一技术为高效利用钼源合成碳化钼纳米颗粒和实现碳结构原位调控提供了新的思路和策略,具有很好的应用前景。

        相关研究近期以“Hollow Hemispherical Carbon Microparticles with Mo2C Nanoparticles Synthesized by Precursor Design: Effective Noble Metal-Free Catalysts for Dehydrogenation” 为题,在线发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201900597)。论文一作是山西昆明烟草有限责任公司赵瑞花博士和太原理工大学硕士生王会,通讯作者是太原理工大学李晋平教授、杜建平教授和美国新泽西州立大学的Asefa教授。



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