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物苯甲醛，產率高達88.3%，將底物用量擴大到40g仍能保持較高產率，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）