高分子碳氮化物上NO的有氧催化分解及反应机理

NO is a serious environmental pollutant, and its removal is one of the challenge tasks in the field of environmental protection. To this end, polymer carbon nitrides are going to be investigated as catalyst for NO decomposition conducted in the presence of oxygen. Graphitic carbon nitride (g-C3N4), which has electron-rich structure and strong resistance to oxidation, is considered to be a potential catalyst for NO decomposition. On one hand, the electron-rich structure allows it providing electrons to NO to form activated NO- species, decreasing the bond order of N-O from 2.5 to 2.0; on the other hand, it is inactive to oxygen and the chemical adsorption of oxygen on its surface is difficult, mitigating the competitive adsorption between NO and O2. Our previous results indicated that g-C3N4 can catalyze NO decomposition, and suggested that basic site of the g-C3N4 framework is the active site of NO decomposition. In this project, the texture and surface properties of g-C3N4 (e.g., surface area, surface acidity, etc.) will be modified and optimized, and used as catalyst for NO decomposition reaction carried out under various conditions, especially in the presence of oxygen. The aim is to improve the thermal stability of g-C3N4 in the reaction, enhance the NO decomposition activity in the presence of oxygen, and reveal the reaction kinetics and mechanism. To the best of our knowledge, this is the first project proposing to use polymer carbon nitride as catalyst for NO decomposition carried out in the presence of oxygen. The final goal of this project is to provide basic knowledge and technical support for developling highly active NO decomposition catalyst for industrial application in the future.

NO是一种严重的环境污染物，对其消除是目前环保领域中亟待解决的问题之一。本项目拟以高分子碳氮化物为催化剂来对NO在有氧条件下的催化分解进行基础研究。石墨状碳氮化物（g-C3N4）具有多电子结构和抗氧化性能。因而，它既可提供电子给NO以形成NO-物种，使N-O键级由2.5减小到2.0，又可防止O2的毒化和减弱O2与NO在其表面的竞争吸附。我们之前报道了g-C3N4在无氧条件下可以催化分解NO，且认为其表面的碱性位是NO分解的活性位。本项目中我们将通过修饰和优化g-C3N4的织构和表面性能（如：比表面积，表面酸碱性等），对不同条件下NO的催化分解行为进行研究。研究内容主要为解决该体系中催化剂的热稳定性、有氧条件下的催化活性以及反应动力学和机理等问题。本项目是首次提出以高分子碳氮化物为催化剂来研究NO在有氧条件下的分解性能，旨在为研制高效实用的NO分解催化剂提供新的途径和理论与技术支持。

尾气排放物NO的消除是目前环保领域中亟待解决且极具挑战性的课题之一。催化是实现NO消除的一种有效技术，在工业上也已得到了广泛应用，如尾气净化三效催化剂。催化分解是消除NO最为简单的方法，它可在不加还原剂的基础上将NO直接分解为N2和O2，因而受到人们的广泛兴趣，但同时也面临着极大的挑战。. 本项目以高分子碳氮化物为催化剂，对NO的催化分解进行了基础研究。在此基础上，还研究了以碳氮化物为催化剂或者催化剂载体的制备及其对不同反应（如：CO气相氧化，Friedel-Crafts酰基化，不饱和烃的选择加氢）的催化性能。. 研究结果表明：1）碳氮化物在500 ℃以下能对NO的消除显示出较好的催化性能，特别是掺入适量Zn、及在有表面活性剂如F127条件下制备的氮化碳， 500 ℃时能显示出近100%的NO转化率，说明碳氮化物是一类非常优异的NO分解催化剂，这为今后制备低温、高性能的NO消除催化剂开辟了一条新的路径；2）多孔氮化碳是一种优良的、苯-己酰氯傅克酰基化反应的催化剂，室温下30分钟就能显示出近75%的催化活性；此外，硼原子的掺入可同时提高氮化碳的表面酸性和碱性，并显示出优良的催化CO2与氧化苯乙烯环加成反应。这些优异的催化性能扩宽了该类催化剂在传统多相催化反应中的应用，拓展了其应用窗口；3）介孔硅-氮化碳复合材料也可作为载体制备具有高稳定性及可控粒径和形貌的贵金属催化剂，从而提高贵金属催化剂的催化性能。直接以SBA-15为载体制备负载贵金属（如：金、铂、钯等）纳米粒子时，粒径在50nm以上。而在SBA-15表面覆盖一层氮化碳后再负载贵金属纳米粒子时，其粒径可达到3-4nm，并可通过控制氮化碳的负载量来控制贵金属颗粒的大小。这为制备高稳定性、高活性且可控粒径的贵金属催化剂提供了一种新的思路。. 发表了标注项目号的研究论文19 篇（SCI 收录论文17 篇，1篇被评为2015年高被引论文），申请国家发明专利4 项 （2项授权）。获得了1项湖北省、1项武汉市自然科学优秀论文奖。获批1项湖北省自然科学基金重点项目、1项人事部留学人员科技活动择优资助项目、1项教育部留学回国人员科研启动基金、1项国家民族事务委员会科研项目。参加了国际、国内会议13次，其中在国际会议做分组报告2次，国内会议特邀报告2次、分组报告3次。培养了5名研究生（已毕业2名）。