化工學院綠色催化研究團隊研究領域取得重要進展

化學與化工學院綠色催化研究團隊圍繞國家重大需求和學術前沿，致力于能源環(huán)境催化和含氟化合物合成兩大課題的基礎與應用研究，開展高效催化劑的設計與合成和綠色催化過程的開發(fā)及其應用相關科學問題的研究工作。近期，團隊圍繞雙碳目標，在光熱催化低碳烷烴脫氫、CO₂資源催化轉化、生物質催化轉化和電解水產(chǎn)氫和氧的催化體系開發(fā)等方面取得一系列重要研究進展。

圖1 生物質催化轉化方面：a）HMF一鍋還原醚化；b）SPC制備磷摻雜碳材料；c）Z型異質結ZnO/C₃N₄光催化劑用于苯甲醇的高效選擇性光催化氧化；d）CoO_x/MnO₂直接催化氧化腈化制腈化物

在生物質催化轉化方面，團隊開發(fā)出一種兼具Br?nsted酸性和Lewis酸性的雙功能鋯基固體酸催化劑，并通過不同金屬鹽和生物質前驅體調控催化劑酸度。該催化劑可將HMF一鍋還原醚化為可用作生物基燃料或添加劑的2,5-雙（異丙氧基甲基）呋喃，且收率達92.4%。該工作為雙功能固體酸催化劑制備提供新的思路，相關成果發(fā)表在ACS SustainableChem. Eng.（ACS Sustainable Chem. Eng.,2022, 10(15), 4969-4979，圖1a）上。團隊開發(fā)出一種自蔓延碳化法（SPC）簡便快捷地制備系列磷摻雜碳材料的技術。與已報道的磷摻雜碳材料制備方法相比，該方法在制備過程中無需消耗外加能量，也無需復雜的合成工藝和高能耗的煅燒過程。該催化劑在芐醇催化氧化制備苯甲醛和苯酚部分還原制環(huán)己酮反應中表現(xiàn)出較高的催化活性，相關成果發(fā)表在Green Chem.（Green Chem., 2022, 24, 6108-6112，圖1b）上。在選擇性催化氧化方面，團隊制備了一種非貴金屬Z型異質結ZnO/C₃N₄光催化劑用于苯甲醇的高效光催化氧化。該催化劑在無溶劑和室溫條件下能夠將苯甲醇光催化氧化為單一產(chǎn)物苯甲醛，產(chǎn)率高達88.3%，將底物用量擴大到40g仍能保持較高產(chǎn)率，相關成果發(fā)表在Green Chem.（Green Chem., 2022, 24, 7652-7660，圖1c）上。在苯甲醇選擇性氧化腈化方面，團隊開發(fā)了將醇類化合物在無溶劑條件直接氧化腈化催化體系。該催化體系以CoO_x/MnO₂為催化劑、氨水為胺源，在100 ℃、8h條件下，苯甲醇氧化腈化得到86%的苯甲腈。通過反應動力學闡明了反應的決速步、反應機理以及催化劑中Co和Mn的作用機制。該催化體系可以擴展到脂肪族、芐基、烯丙基和雜環(huán)醇的氧化腈化，相關成果發(fā)表在ACS Sustainable Chem. Eng.（10.1021/acssuschemeng.2c05205，圖1d）上。研究成果均以陜西科技大學為第一完成單位，王偉濤副教授、劉昭鐵教授、韓布興研究員為論文通訊作者，化工學院研究生王歡、姜旭祿和馬莉瓊分別為第一學生作者。

圖2 光、光熱催化方面：a）Z型異質結CoLaO_x/WO₃光熱催化環(huán)己烷制KA油；b）Fe,V-NiSe₂@NiFe(OH)_x作為OER反應的高效電催化劑；c）光熱協(xié)同催化CO₂氧化丙烷脫氫制丙烯和CO

在選擇性催化氧化方面，團隊制備了一種非貴金屬Z型異質結CoLaO_x/WO₃光熱催化劑用于環(huán)己烷的高效選擇性光催化氧化。該催化劑在無溶劑、120℃、1.5 MPa O₂和3 h條件下能夠將環(huán)己烷催化氧化為KA油，產(chǎn)率高達72.3%；通過異質結機理研究闡明了該催化劑的決速步、反應機理以及金屬氧化物的作用機制，該方法為設計和構建具有高效光熱催化性能的Z型異質結催化劑在化學工業(yè)中將環(huán)己烷氧化為KA油和AA化學品提供了應用前景，相關成果發(fā)表在Catal. Today（10.1016/j.cattod.2022.04.010，圖2a）上。陜西科技大學為論文第一署名單位，王寬副教授和劉昭鐵教授為論文通訊作者，化工學院研究生李松松為第一學生作者。

在電解水產(chǎn)氧方面，團隊制備了一種新型的核－殼異質結構納米材料Fe,V-NiSe₂@NiFe(OH)_x，該催化劑具有較高的電子輸運能力和較大的比表面積，在析氧反應（OER）中，具有優(yōu)異的催化活性。該材料僅需通過高溫硒化和原位電化學陽極氧化的方法制備，為核－殼異質結構OER催化劑的設計提供了一種較為簡單的合成方法，該研究以“In Situ Anodic Oxidation Tuning of NiFeV Diselenide to Core-Shell Heterojunction for Boosting Oxygen Evolution”為題發(fā)表于Inorg. Chem.（Inorg. Chem., 2022, 61(42), 16805-16813，圖2b）上。陜西科技大學為論文第一署名單位，楊陽副教授和劉昭鐵教授為論文通訊作者，化工學院碩士研究生朱兵為第一學生作者。

圍繞“雙碳”目標和低碳烷烴資源高效利用，團隊首次報道了在相對低溫條件下光熱協(xié)同催化CO₂氧化丙烷脫氫制丙烯和CO的研究。開發(fā)出BiOI納米片催化劑在270 ℃具有優(yōu)異的光熱催化性能，遠低于傳統(tǒng)熱催化丙烷脫氫的反應溫度（≥550℃）。系列表征結果表明，暴露面為（110）的BiOI催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能和光電響應性能，同時BiOI催化劑表面的晶格氧－氧空位對可作為催化活性中心，其中晶格氧是丙烷脫氫制丙烯的活性位點，而氧空位能夠催化CO₂還原為CO。該工作驗證了光熱催化CO₂氧化丙烷脫氫制丙烯和CO的可行性，為實現(xiàn)丙烷的增值轉化和CO₂資源化利用提供了一種新策略，該研究以“Photothermal catalytic CO₂oxidative dehydrogenation of propane to propylene over BiOX (X=Cl, Br, I) nanocatalysts”為題的內(nèi)封面文章發(fā)表于Green Chem.（Green Chem., 2022, 24,8270-8279，圖2c）上。論文以陜西科技大學為第一署名單位，何珍紅教授和劉昭鐵教授為論文通訊作者，化工學院研究生武寶婷為第一學生作者。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c08351

https://doi.org/10.1039/D2GC01359B

https://doi.org/10.1039/D2GC02293A

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c05205

https://doi.org/10.1016/j.cattod.2022.04.010

https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.2c02706

https://doi.org/10.1039/D2GC02571J

（核稿：黃文歡 編輯：劉倩）