山西煤化所等在碳微球制備及其催化應(yīng)用方面取得進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員李學(xué)寬團(tuán)隊(duì)與山西大學(xué)教授楊恒權(quán)團(tuán)隊(duì)合作，首次提出了以Pickering乳液為模板，基于表面活性劑乳滴限域空間組裝來(lái)制備內(nèi)部結(jié)構(gòu)豐富的碳微球的合成策略，并取得成功。碳微球由于具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、低的流體阻力、便于與反應(yīng)系統(tǒng)分離等特點(diǎn)，在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。尤其是具有多級(jí)或多區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微球，不僅能顯著提高內(nèi)部的傳質(zhì)，更讓發(fā)生在其內(nèi)部的化學(xué)過(guò)程的時(shí)空控制成為可能。因此，合成具有可控內(nèi)部結(jié)構(gòu)的碳微球受到研究人員的廣泛關(guān)注。然而迄今為止，現(xiàn)存的方法都無(wú)法滿足在微米尺度上合成具有內(nèi)部豐富結(jié)構(gòu)的碳球。

　　面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員提出了全新的合成策略，并且通過(guò)改變合成參數(shù)來(lái)可控地調(diào)整微球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，得到一個(gè)前所未有的內(nèi)部多結(jié)構(gòu)的碳微球庫(kù)（圖1）。同時(shí)，研究人員通過(guò)對(duì)中間過(guò)程的捕捉以及根據(jù)乳滴限域空間內(nèi)相變的理論基礎(chǔ)，提出了微球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變機(jī)理（圖2，詳見(jiàn)文章相關(guān)內(nèi)容）。更重要的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)乳滴的限域效應(yīng)，這種效應(yīng)不僅影響了微球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，更提高了中孔結(jié)構(gòu)的有序性。通過(guò)乙酰丙酸加氫反應(yīng)，團(tuán)隊(duì)人員驗(yàn)證了這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)豐富的微球在內(nèi)部傳質(zhì)和分離回收方面的優(yōu)勢(shì)，突出了其在工程應(yīng)用上的優(yōu)越性。此外，該策略還能夠一步對(duì)碳微球進(jìn)行N、Co功能化，所得催化劑在芳香硝基化合物選擇性加氫過(guò)程中展現(xiàn)了優(yōu)異的活性、選擇性以及穩(wěn)定性。上述研究結(jié)果為碳材料以及其他無(wú)機(jī)材料的合成研究開(kāi)辟了新的視野，所揭示的形成機(jī)理以及乳滴限域效應(yīng)為制備具有內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微球提供了一個(gè)通用的原理。

　　該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、山西省青年三晉學(xué)者項(xiàng)目等的資助與支持。相關(guān)工作發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 10899-10904），并得到Nature主頁(yè)的highlight報(bào)道：An interior-design guide for microscopic spaces—detailed polymer structures generated in water droplets can be turned into carbon spheres。

圖1. SEM圖像：微球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨(A)堿濃度，(B)溫度和苯酚量的演變。標(biāo)尺=10 μm。

圖2.碳微球及內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成機(jī)理的示意圖。(A)界面聚合；(B)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變。

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