利用可再生的碳基材料替代金屬基催化劑材料，滿足現代社會對化學工業綠色、環保、可持續發展的嚴格要求已成為化學、化工和材料領域新興的熱點研究方向之一，其中對納米碳催化反應機理本質的認識一直是該領域的難點問題之一。近日，中國科學院金屬研究所催化材料研究部齊偉研究團隊在Acc. Chem. Res.雜誌發表綜述論文，系統總結了過去五年在碳催化烷烴氧化脫氫反應機理方向的研究工作。
對碳材料催化活性中心的定性和定量是催化反應動力學和機理研究的基礎和關鍵。近反應條件下的分子吸附熱和原位XPS表徵結果均表明碳材料表面親核性較高的氧物種對催化烷烴氧化脫氫反應貢獻顯著。齊偉團隊提出的原位化學滴定方法在領域內首次給出直接的化學證據證明酮羰基基團是納米碳催化烷烴氧化脫氫反應的活性中心（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 14224）。同時，該方法能夠通過單次測試直接定量活性中心數目，獲得碳材料歸一到單個活性中心的本徵催化活性（TOF），為反應動力學研究打下基礎（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 13682）。
催化反應動力學、同位素效應（ACS. Catal. 2017, 7, 5820）以及在模型碳催化劑材料上的原位紅外光譜表徵（ACS. Catal. 2017, 7, 1424）揭示出碳催化烷烴脫氫反應的機理。與金屬氧化物材料表面的經典M-v-K機理不同，氧氣分子在納米碳表面存在活化和氧交換過程。研究工作系統比較了氧化釩和納米碳催化材料的反應動力學參數和反應機理，總結了碳催化材料在烷烴氧化脫氫反應中的優勢和不足，指明了具有高催化反應活性和烯烴選擇性的碳基催化材料設計製備的指導原則和方向。過去5年，齊偉研究組在納米碳催化活性中心定性與定量、本徵催化活性的測定，以及催化反應動力學等領域開展了系統的研究工作，先後發表了6篇系列論文。這一系列論文通過細緻、系統的研究工作完整揭示了碳催化的本質過程，建立起系統的非金屬催化反應理論體系，切實推動了綠色非金屬納米碳催化領域的發展。
該研究得到了國家自然科學基金、中科院、金屬所和瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室研究項目的資助。（來源：中國科學院金屬研究所）
圖1 碳催化反應機理研究策略
圖2 模型納米碳催化材料上的原位紅外光譜分析
圖3 碳催化烷烴氧化脫氫反應過程示意圖
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