納米碳材料在烷烴的氧化脫氫等反應(yīng)中展現(xiàn)出反應(yīng)活性高，烯烴產(chǎn)物選擇性高，催化活性保持時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，其作為一種可再生的環(huán)境友好催化劑，可以替代傳統(tǒng)的金屬及其氧化物催化劑直接應(yīng)用于烷烴催化轉(zhuǎn)化等相關(guān)反應(yīng)中。經(jīng)過近20年的發(fā)展，研究者在納米碳催化劑制備方法及其在不同催化體系中的應(yīng)用等方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步,但是在分子或原子尺度上對(duì)納米碳催化本質(zhì)過程的解釋，以及納米碳催化劑本征活性的評(píng)價(jià)和比較等問題上仍不清楚。
最近，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室催化材料研究部蘇黨生研究員和齊偉博士領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域內(nèi)取得了重要的進(jìn)展。利用自行設(shè)計(jì)搭建的乙苯氧化脫氫反應(yīng)和活性中心滴定裝置，通過有機(jī)小分子與納米碳催化劑表面催化活性中心之間的原位高選擇性化學(xué)反應(yīng)（圖1），研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)條件下納米碳材料本征催化活性和催化活性中心的定量（圖2）。比較不同形貌的納米碳催化材料本征活性可以發(fā)現(xiàn)，在較大尺寸范圍內(nèi)（石墨層彎曲半徑大于5nm），納米碳材料的微觀形貌（如比表面積和石墨層彎曲半徑等）對(duì)其本征催化活性的影響很?。▓D3）。原位化學(xué)滴定方法的建立首次成功實(shí)現(xiàn)了單次實(shí)驗(yàn)測(cè)定納米碳催化劑本征活性的設(shè)想，為詳盡地動(dòng)力學(xué)分析納米碳催化過程奠定了基礎(chǔ)。對(duì)納米碳催化劑本征活性的客觀評(píng)價(jià)和比較結(jié)果是從分子尺度上認(rèn)識(shí)納米碳催化反應(yīng)過程和納米碳催化劑構(gòu)效關(guān)系的關(guān)鍵。相關(guān)研究成果以快訊形式發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition雜志（DOI: 10.1002/anie.201505818）。
多年來，蘇黨生研究員團(tuán)隊(duì)一直致力于在本質(zhì)上認(rèn)識(shí)非金屬納米碳催化作用，他們?cè)诩{米碳催化烷烴氧化脫氫反應(yīng)活性中心識(shí)別（Science, 2008, 322, 73; Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 14224）、催化劑對(duì)反應(yīng)選擇性的調(diào)控（Chem. Commun. 2013, 49, 8151）以及納米碳催化劑設(shè)計(jì)制備原則（Chem. Rev. 2013, 113, 5782）等重要課題上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其研究成果在非金屬催化和納米催化領(lǐng)域受到國(guó)內(nèi)外同行的認(rèn)可和肯定。
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目、金屬所優(yōu)秀學(xué)者、沈陽材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新項(xiàng)目和中科院青促會(huì)項(xiàng)目的支持。
圖1 納米碳催化乙苯氧化脫氫反應(yīng)活性中心原位化學(xué)滴定過程示意圖
圖2 碳納米管催化乙苯氧化脫氫反應(yīng)轉(zhuǎn)化率隨滴定劑消耗量變化規(guī)律
圖3 不同形貌納米碳材料催化乙苯氧化脫氫反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和本征活性對(duì)比
