多壁碳纳米管的结构缺陷及其自发氧化还原性能在催化反应中的作用研究

通过物理/化学处理方法获得不同缺陷密度的MWCNTs，研究不同方法得到的MWCNTs缺陷的结构特点，研究缺陷密度、缺陷类型与催化性能之间的关系；利用碳管与溶液中金属离子的自发氧化还原作用，实现Fe3+→Fe2+、V5+→V4+、Cu2+→Cu+、Ce4+→Ce3+的自发还原，制备高活性高稳定性的中间价态过渡金属氧化物纳米复合催化剂；研究碳管结构缺陷对其形成的热力学和动力学条件，物理化学性质以及催化反应性能的影响，探讨提高催化活性的机理；实验上利用Raman、TEM、HRTEM、NEXAFS、STM、ESR、XPS谱学方法，结合O3滴定、TPR、TPO、TPD等技术进行研究，采用微反色谱法研究中间价态过渡金属氧化物/MWCNTs复合催化剂在加氢、脱氢、羟基化等典型反应中的催化性能。通过本项目的实施，认识和掌握MWCNTs催化剂的一些基本规律，获得对WMCNTs的催化应用有指导意义的科学依据。

通过不同物理/化学处理方法获得了系列不同缺陷密度的MWCNTs，通过调控实验参数，基本掌握制备不同类型碳管缺陷的技术方法；经表征得到不同类型缺陷的详细信息，研究不同方法得到的MWCNTs 缺陷的结构特点，从而建立缺陷密度、缺陷类型与催化性能之间的关联；利用碳管与溶液中金属离子的自发氧化还原作用，实现Fe3+→Fe2+、V5+→V4+、Cu2+→Cu+、Ce4+→Ce3+的自发还原，制备高活性高稳定性的中间价态过渡金属氧化物纳米复合催化剂，研究不同类型催化剂在苯加氢、乙苯脱氢、苯羟基化等反应中的催化性能以及碳管结构缺陷对中间价态催化剂的负载和催化反应中的促进作用；进一步发展了通过高温促进的碳管与负载金属氧化物的自发氧化还原作用，获得部分金属Ni存在下的催化剂，其显示了比无金属Ni存在的对比催化剂高得多的催化活性，从而拓展了碳管自发氧化还原作用及其对催化反应的应用；利用Raman、TEM、HRTEM、NEXAFS、XPS 、IR谱学方法，结合 TPR、TPO、TPD 等技术，研究碳管结构缺陷对其形成的热力学和动力学条件，物理化学性质以及催化反应性能的影响，探讨提高催化活性的机理；认识和掌握MWCNTs 催化剂的一些基本规律，获得对WMCNTs 的催化应用有指导意义的科学依据。在此基础上，研究了具有类似碳结构的石墨烯负载金属氧化物及其石墨烯结构缺陷的影响，探讨石墨烯复合材料的催化及其吸附性能，从而研究了碳纳米材料的结构共性。此外，还进一步通过对不同结构缺陷研究，发现具有大量横截面结构缺陷的碳纳米管通过碱助水热羟基化可以获得高活性的乙苯脱氢催化剂，在二氧化碳存在下其催化活性甚至高于碳管负载CeO2催化剂，为目前石油化工亟待解决的CO2的利用，降低高温能耗的问题，提供了一个简便制备无金属高活性氧化催化剂的新途径。. 围绕本研究课题，发表论文15篇，申请专利2项，送审论文2篇，参加国际和国内学术会议三次。培养研究生硕士毕业2人，博士毕业4人，目前在读博士3人。