硫、氮共掺杂石墨烯的研制及其高效催化氧化性能

近年来纳米碳如石墨烯、碳纳米管及富勒烯等作为新型不含金属的材料,在生物、能源和催化领域得到了广泛的关注和研究。在众多碳及纳米碳材料中,最基本的构建单元是二维苯环状碳结构,即石墨烯。由于其优异的电学、光学、力学、化学和热力学性能,石墨烯被广泛地应用于能源和环境等众多领域。

在非均相催化领域,石墨烯作为不含金属的催化材料被较多地用于小分子烷烃及乙苯脱氢反应、选择性氧化反应以及氧还原反应。相比于传统的金属基催化剂,碳催化材料往往表现出更高的催化活性和稳定性。在环境催化领域,传统的芬顿反应(Fenton reaction)对反应条件如溶液pH等有较苛刻的要求,近年来硫酸根自由基被广泛用于取代羟基自由基。然而,此两类高级氧化均采用金属基催化剂,而溶出的金属离子如铁、钴、锰等对环境会造成二次污染。澳大利亚科廷大学(Curtin University)王少彬教授团队一直致力于寻找绿色、高效的不含金属催化体系。研究团队孙红旗博士首次发现纳米碳材料可以高效地催化、激活单过硫酸氢钾,产生活性硫酸根基团,从而进行有机物的催化氧化。

团队博士生段晓光采用一步法在温和的合成条件下成功制备硫、氮共掺杂石墨烯。合作者Kane O’Donnell博士通过量子化学计算(DFT)证实,硫、氮共掺杂可以调控石墨烯片层的静电势和电子分布,活化惰性的sp2杂化的石墨烯片层,增强其催化性能。理论计算及实验均表明,硫、氮共掺杂可以产生协同效应,催化性能显著高于氮或硫单掺杂,进而协同地增强了石墨烯吸附和催化氧化性能。结合电子顺磁波谱和自由基竞争探针反应,该研究同时探索了单过硫酸氢钾在石墨烯上激活机制和自由基在高级氧化过程中的衍化过程。相关结果发表在Small上。

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