近期，中國科學院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部汪國忠研究員團隊在構(gòu)筑氮摻雜碳層調(diào)控催化劑的性能研究中取得了新進展。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，相關研究成果以“Towards High-Performance Hydrogenation at Room Temperature through Tailoring Nickel Catalysts Stable in Aqueous Solution”為題發(fā)表在Advanced Science (Adv. Sci., DOI: 10.1002/advs.202309303，2024)上。

水是一種易于獲取的綠色溶劑，然而催化劑在水相反應過程中極易因活性金屬的流失、浸出和失活而導致催化活性降低。研究表明，通過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(wěn)定性，是液相催化領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(xiàn)，SiO2@Ni@NC催化劑在水相反應中展現(xiàn)出了優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性，在室溫下可以實現(xiàn)香草醛到4-羥甲基-2-甲氧基苯酚（HMP）的近100%轉(zhuǎn)化，且在5次循環(huán)中活性沒有明顯降低。SiO2@Ni@NC催化劑高效的催化性能歸因于活性金屬、氮摻雜碳層和SiO2的協(xié)同作用。親水性SiO2內(nèi)核使催化劑在水相體系中分散均勻，從而促進其與反應物的接觸。而疏水性氮摻雜碳層具有四種功能：（1）保護內(nèi)部金屬免受氧化或浸出；（2）作為還原劑還原內(nèi)部金屬；（3）通過富集H2和有機反應物濃度的方式調(diào)節(jié)活性位點周圍的微環(huán)境；（4）作為活性金屬的電子改性劑。密度泛函理論（DFT）表明氮摻雜碳層促進了反應物吸附和氫氣的自發(fā)解離，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(gòu)筑高效、穩(wěn)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(wěn)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(shù)。