屌 编者按:日前,中科院大连化物所潘秀莲研究员和包信和院士带领的研究组,在对纳米碳催化材料深入研究的基础上,采用氨化等方法实现了氮原子在碳结构中的原位掺杂,并显示出了150小时持续的稳定性,相关结果以报导形式发表在了《自然通讯》上。 催化基础研究与现代化学工业发展息息相关,约80%的化工产品直接或间接地由催化过程制得。性能优良的工业催化剂必须能够长期保持良好的催化活性和选择性,并具有良好的导热、耐磨和再生性能。 纳米碳材料一般是由气相沉积、弧光放电、激光烧蚀等剧烈过程制取,含有大量的空位、间隙原子、线缺陷、边界等结构缺陷。此外,当石墨结构在某一维度的尺寸小到几个纳米时,为了达到结构稳定会自然发生弯曲,导致石墨层内自由电子的局域化分布,进而提高部分结构缺陷的化学活性。经过简单的表面修饰后,纳米碳表面将被修饰上含氧、氮等杂原子的饱和及非饱和官能团,进而具备一定还原能力。 近年来,世界上很多国家竞相进行重点攻关,试图开发非汞催化剂,实现聚氯乙烯的无汞化生产。据了解,我国是一个聚氯乙烯(PVC)生产和消耗大国,去生产1529.5万吨,其中75%是由煤经电石法制得的乙炔再在氯化汞(HgCl2)催化剂作用下经过氢氯化反应过程生产而来。这一过程造成了大量的汞(俗称“水银”)排放,对环境造成严重的污染。后来联合国通过国际公约宣布2020年禁止生产和进出口含汞类产品,这给世界上,特别是印度和中国等发展中国家基于汞催化剂的聚氯乙烯产业带来了巨大的压力。 这次研究的主要原理是通过精确控制碳化硅材料的处理过程,在其界面制造纳米碳结构,而在表面形成的这种氮掺杂的类石墨烯材料(SiC@N-C)显示了优良的直接催化乙炔氢氯化的性能。在传统氯化汞催化过程相同的进料空速条件下,该SiC@N-C催化剂上乙炔的单程转化率为80%,氯乙烯的选择性为98%,该项研究为无汞催化剂的研制打下了很好的基础,为最终实现聚氯乙烯的无汞化生产开辟了一条崭新的途径。该项目得到了科技部973项目和国家自然科学基金委的支持。 纳米碳材料直接作为催化剂的非金属碳催化,是目前材料科学与催化领域的前沿方向之一。相对于传统金属催化剂,纳米碳材料催化剂具有高效环保、低能耗、耐腐蚀等优点,在化学品合成、能源催化等领域表现出优异的催化性能和发展潜力,未来发展不可限量。