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納米碳與離子液體主客體型催化材料研究新進展

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近期,沈陽材料科學國家(聯合)實驗室催化材料研究部蘇黨生研究員課題組,基于納米碳材料與離子液體間特殊的作用力,實現了離子液體與納米碳的有效結合;并利用真空條件下離子液體的低飽和蒸汽壓,對離子液體層數進行有效調控,可實現離子液體在碳材料表面的單層存在,相關成果發表在Chemsuschem2014, 7, 1542–1546)。這種離子液體與納米碳的主客體型材料,兼具離子液體和納米碳的優良性質。在碳催化過程中,增加其有效表面,且使其在液相反應過程中實現無能耗分離。離子液體的固態存在可使其在固相催化中得到應用,并且極大降低離子液體用量,有效提升其利用效率。

研究人員同時發現,在碳表面少層存在的離子液體,可用于分散分子催化劑,實現單分子催化。這種組合可以將均相催化體系非均相于碳材料表面,使新的催化體系同時具有均相催化和非均相催化的優勢。反應過程中,離子液體不單可作為催化劑的分散劑和催化反應的反應媒介,還可對催化劑活性位產生電子誘導效應,進而極大提高催化劑的TOF,這對于催化反應意義重大。相關成果發表在Green Chemistry2014, DOI: 10.1039/C4GC01814A. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/gc/c4gc01814a#!divAbstract)鑒于離子液體的可調控性,可選擇不同種類的離子液體來適應不同種類的催化劑,使該體系具有很寬的適用范圍。

  納米碳材料表面化學惰性較強,使其表面難于調控。但通過離子液體的選擇,可得到不同功能化的離子液體表面的碳骨架。在離子液體剝離過程中,研究人員意外發現碳表面對離子液體存在表面限域效應和排列導向作用。利用這兩種有趣的效應,可在不同缺陷度表面形成相應的離子液體衍生碳;同時,二者的強相互作用力使得本身無法交聯的離子液體產生交聯聚合,這消除了離子液體成碳過程中離子液體的選擇限制。通過溫度調控,可得到不同表面性質,如超親水或超疏水,酸性或堿性等。相關成果發表在Angew. Chem. Int. Ed.2014, DOI: 10.1002/anie.201408201. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201408201/abstract)這些可調控的性質,每一種對碳材料的提升都意義重大。同時,通過離子液體的調變,可得到含不同雜原子和官能團的功能化表面,為不同催化過程提供相應活性位,因此具有廣泛的適用性。

圖1. 左圖:a)離子液體/碳納米管復合膠體與復合材料圖像 b,、c)HHT與其相應復合材料的顯微圖及Mapping圖像;右圖:復合材料機理圖

圖2. 左圖:OPW-OP/HHT復合材料的HAADF-STEM圖像;右圖:不同催化劑材料在DBT氧化過程中的催化活性

圖3. 離子液體陽離子在石墨層表面的優化物理吸附結構

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