氮硫共掺杂碳包覆型钴催化剂的制备及在甲酸转移氢化中的应用

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氮掺杂碳包覆型过渡金属催化剂因其具有催化性能良好、成本低廉、环境友好等优点,表现出优秀的应用前景,因而得到了人们的普遍关注。自从这类催化剂发现以来,基于前驱体设计合成新型催化剂,探究其结构与催化性能之间的关系已成为当前的研究热点。硫作为碳材料的修饰改性元素,易于掺杂进石墨化碳层,且能够显著改变碳层物理化学性质。基于此,本文通过对氮掺杂碳层进行硫掺杂修饰,设计合成了一系列氮硫共掺杂碳包覆的钴纳米催化剂。通过表征研究其微观结构、化学组成以及甲酸转移氢化的催化性能,结合控制实验探讨了其结构与催化性能之间的关系,拓展其潜在的应用范围。(1)首先利用浸渍上钴盐的多孔有机聚合物(POPs)为前驱体,设计合成了系列氮硫共掺杂碳包覆型催化剂Co-NSPC-T(T=400、550、700、850、1000),研究了热解温度对其结构以及催化甲酸转移氢化性能的影响。研究发现通过直接热解成功构建了氮硫共掺杂碳层包覆结构,金属钴与其包覆层之间具有电子转移作用,且热解温度对于氮和硫的掺杂量和掺杂形态有显著影响。其中,Co-NSPC-850表现出最好的催化转移氢化性能,成功用于芳香硝基化合物的选择性还原。在循环套用测试中,未经额外处理的Co-NSPC-850表现出良好的循环稳定性。(2)在上述工作的基础上,通过改变前驱体设计合成了Co-NSPC、Co-NPC和Co-NPC-S,以研究硫的引入对氮掺杂碳包覆型催化剂结构与性能的影响。研究发现硫的引入可以有效促进氮的掺杂,强化金属与外围碳层之间的电子转移作用;骨架硫源有利于避免低价态掺杂硫的形成。控制实验结果揭示了催化活性位点是被包覆的钴纳米颗粒。(3)以席夫碱网络聚合物SNW-1为有机前驱体,辅以糖衣包覆策略设计合成了一系列氮硫共掺杂碳包覆型超细钴纳米催化剂Co@NSC-x(x=0、1、3、7)。研究结果显示,葡萄糖的添加可以显著减小钴纳米颗粒的尺寸,优化钴纳米颗粒的分布。不仅如此,葡萄糖还有效调节了硫的掺杂形态,抑制了硫与钴之间的直接作用。其中,Co@NSC-3表现出最优的甲酸转移氢化活性,并适用于一步氢化还原胺化反应,在5次循环套用实验(170 oC,6 h,过量甲酸)中表现非常稳定。
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