近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所汪國忠研究員團隊在構筑氮摻雜碳層調控催化劑的性能研究中取得了新進(jìn)展。研究團隊合成了封裝于氮摻雜碳層和二氧化硅復合載體中的鎳催化劑，探究了催化劑的碳層、碳層厚度以及氮摻雜對香草醛水相加氫性能的影響，相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Science 上。

在綠色化學(xué)領(lǐng)域，水作為一種環(huán)保且易得的溶劑，在化學(xué)反應中具有重要意義。然而，傳統的催化劑在水相反應中往往面臨著(zhù)活性金屬流失、浸出和失活等問(wèn)題，嚴重影響了催化效率和穩定性。研究表明，通過(guò)包覆式策略可以有效減少活性金屬的損失，由間苯二酚-甲醛衍生的氮摻雜碳（NC）層能夠在不影響反應傳質(zhì)的前提下，通過(guò)其固有的疏水特性增強催化劑表面與氣體分子以及有機反應物之間的親和力，有效地提高催化劑的加氫活性和穩定性，是液相催化領(lǐng)域中具有潛力的包覆材料。

鑒于此，固體所研究人員將金屬鎳封裝在氮摻雜的碳和二氧化硅復合兩親性載體中(SiO₂@Ni@NC），并將此催化劑應用于香草醛的水相加氫反應中。研究發(fā)現，SiO₂@Ni@NC催化劑在水相反應中展現出了優(yōu)異的活性和穩定性，在室溫下可以實(shí)現香草醛到4-羥甲基-2-甲氧基苯酚（HMP）的近100%轉化，且在5次循環(huán)中活性沒(méi)有明顯降低。

研究指出，這一高效催化性能得益于活性金屬、氮摻雜碳層和SiO2之間的協(xié)同作用。其中，親水性的SiO2內核使得催化劑能在水相中均勻分散，從而更好地與反應物接觸。而氮摻雜的碳層則發(fā)揮了多重功效：它不僅保護內部金屬不被氧化或浸出，還能作為還原劑還原內部金屬，并對活性金屬進(jìn)行電子改性。此外，該碳層還能通過(guò)富集H2和有機反應物來(lái)調節活性位點(diǎn)周?chē)奈h(huán)境。

通過(guò)密度泛函理論（DFT）的計算，研究團隊進(jìn)一步證實(shí)了氮摻雜碳層在促進(jìn)反應物吸附和氫氣自發(fā)解離方面的積極作用，并闡明了香草醛水相加氫的催化機理。該工作中的碳層包覆式策略為構筑高效、穩定的室溫水相加氫催化劑提供了新思路。

上述工作得到了國家自然基金的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202309303

圖1. (a) SiO₂@Ni@NC的合成示意圖；SiO₂@Ni@NC催化劑的(b) SEM, (c, d) TEM, (e) HRTEM和(f) EDS能譜圖； SiO₂@Ni催化劑的(g) SEM, (h, i) TEM, (j) HRTEM和(k) EDS能譜圖。

圖2. (a)不同溶劑下SiO₂@Ni@NC和SiO₂@Ni催化劑的反應性能；(b)水和乙醇的體積比對SiO₂@Ni@NC催化劑的反應性能的影響；(c)反應溫度對SiO₂@Ni@NC和SiO₂@Ni催化劑性能的影響；(d) SiO₂@Ni@NC和SiO₂@Ni催化劑的水相穩定性。

圖3. (a)SiO₂@Ni@NC的計算模型圖；(b) SiO₂@Ni@C和SiO₂@Ni@NC的態(tài)密度；(c)Ni (111)晶面和NC以及(d) C的功函數。