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
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北京理工大學(xué)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(guó)際頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》（DOI：10.1002/anie.202404911）,。北京理工大學(xué)為唯一通訊單位，北京理工大學(xué)材料學(xué)院2021級(jí)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(duì)“雙碳”國(guó)家重大應(yīng)用需求的CO2轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品，開(kāi)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(guò)程中起到?jīng)Q定性作用。通過(guò)EPR直接觀(guān)測(cè)到中間產(chǎn)物氧化苯乙烯?+,，以及通過(guò)原位紅外光譜觀(guān)測(cè)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(guò)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(jiǎn)介：
王一凡，北京理工大學(xué)材料學(xué)院2021級(jí)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,，北京理工大學(xué)材料學(xué)院長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(zhǎng)，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(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士,，國(guó)家優(yōu)秀青年基金、國(guó)家級(jí)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(guó)際頂級(jí)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(wàn)余次,。目前擔(dān)任中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)納米材料與器件分會(huì)副理事長(zhǎng)，中國(guó)化學(xué)會(huì)理事,，中國(guó)化工學(xué)會(huì)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員,，中國(guó)化工學(xué)會(huì)智能制造專(zhuān)委會(huì)委員，中國(guó)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(guó)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(guó)材料學(xué)術(shù)聯(lián)盟IFAM2018青年科學(xué)家獎(jiǎng),，2022/2023年愛(ài)思唯爾中國(guó)高被引學(xué)者，2023年科睿唯安高被引科學(xué)家等,。
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