作者:张思玮 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2019/6/11 9:39:17
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有机硅单体合成主-助催化剂协同催化机理获进展

 

日前,记者从中国科学院过程工程研究所获悉,该所研究员苏发兵团队(李晶博士、纪永军副研究员)和华东理工大学教授龚学庆团队合作,基于之前暴露特定晶面亚微米级Cu2O晶体的工作基础,进一步将ZnO纳米颗粒沉积在上述晶体上,可控合成了具有丰富PN异质结构的ZnO/Cu2O纳米复合材料,并将其作为模型催化体系应用于罗乔反应,在分子原子水平揭示了Cu2O和ZnO的界面协同作用机制,相关成果发表在《催化杂志》。

因有机硅材料结合了硅的无机性能和有机材料的性能,使其广泛应用于社会生产生活的多个领域,比如航空航天、建筑、电子电气、纺织、汽车、机械、化工轻工、金属和油漆、医药医疗等。二甲基二氯硅烷(M2)作为合成有机硅材料用量最大的单体原料,在工业上是通过氯甲烷和硅粉在铜基催化材料作用下生产得到的,即上世纪40年代由Eugene G. Rochow 发明的罗乔反应。

然而,该反应在得到M2的同时,还会产生大量副产物(约占产物含量的15%~20%),因此,提高M2的选择性和收率一直以来都是工业界和学术界长期关注的热点和难点。尽管已有的研究已经发现,在铜基催化剂中添加Zn基助剂可以提升M2的选择性和收率,同时工业上也采用Zn粉作为助催化剂使用,但由于该反应本身和催化剂结构的复杂性,其协同催化机制迄今为止仍不明晰。

此项研究发现,ZnO/Cu2O纳米复合材料比单一暴露特定晶面的亚微米级Cu2O晶体均显示出更高的M2选择性和收率,其中ZnO/Cu2O{100}复合材料的提升幅度最大;并且与ZnO/Cu2O{111}和ZnO/Cu2O{110}复合材料相比,ZnO/Cu2O{100}复合材料具有最高的M2选择性和收率。理论计算表明,ZnO和Cu2O{100}形成的PN界面结构增强了价电子从Cu2O向ZnO的转移能力,使得Cu2O表面更显正电性,有利于反应物一氯甲烷的解离吸附,从而促进活性铜原子的产生和CuxSi活性相的形成。

研究人员表示,该工作不仅揭示了Cu/Zn主-助催化剂在微观尺度上的协同作用机制,而且提供了一种通过调控异质界面结构来提高反应选择性的策略,有助于新型铜基催化剂的研制及工业主-助催化剂的调控。

据悉,该研究得到国家自然科学基金等项目支持。(张思玮)

 
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