富氮空心蠕虫状碳材料的合成及其苯甲醇非金属选择性催化氧化的高活性

摘要

作为非金属催化材料的典型代表,碳材料已经成为催化领域的研究热点之一.本文采用石墨化氮化碳(g-C3N4)为硬模板,通过先包覆树脂后碳化的简便方法合成中空碳材料(h-NCNW).采用X射线衍射(XRD)、高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)、N2吸附-脱附、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、热重(TG)、拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)对h-NCNWs碳材料进行表征,并且研究了h-NCNWs催化剂对O2选择性氧化苯甲醇的催化活性.结果 表明,通过在g-C3N4纳米片外围包覆由间苯二酚和甲醛前驱体缩合形成的薄层树脂,并在惰性气氛下进行高温热处理,去除g-C3N4硬模板,最终得到富氮(9.83％)空心蠕虫状碳材料,并且可通过改变制备过程中间苯二酚与g-C3N4的相对比例来调整氮含量和壳厚度.在h-NCNW中,杂原子N主要以石墨型和吡啶型的形式化学地结合到碳骨架中,其中石墨型N占主导地位,使得该材料在苯甲醇氧化反应中表现优异的催化活性.在120°c时,采用间苯二酚与g-C3N4质量比为0.5制备的h-NCNWs催化剂,苯甲醇转化率为24.9％,苯甲醛选择性＞99％.但是N掺杂量会显著影响h-NCNWs催化剂的催化活性,采用间苯二酚与g-C3N4质量比为1.5制备的h-NCNWs催化剂,苯甲醇转化率降低至13.1％.另一方面,h-NCNWs催化剂在反应过程中显示出优异的稳定性,在五次循环使用过程中催化剂的活性保持不变.综上所述,理性设计和合成的碳材料作为多相氧化反应的催化剂具有巨大的潜力.