【催化】多孔层状高熵氧化物作为苯甲醇无溶剂氧化的高效非均相催化剂学术资讯

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非贵金属催化剂的发展为芳香醇的选择性氧化提供了广阔的应用前景。过渡金属氧化物作为一类低成本且资源丰富的材料，已被广泛用作各种催化过程的催化剂，如碳氢键、醇和胺的需氧氧化等。研究表明，与单一金属氧化物相比，复杂金属氧化物中多种类型催化活性位点之间的协同作用有助其表现出更高的催化活性。因此，合理设计具有多种催化位点的过渡金属氧化物非均相催化剂在应用催化领域具有重要价值，然而目前非贵金属材料的催化活性仍然低于贵金属催化剂。

近日，吉林大学的乔振安教授团队通过锚固-融合法合成了具有多孔层状结构的高熵氧化物（HEO）Co0.2Ni0.2Cu0.2Mg0.2Zn0.2O材料，该材料作为苯甲醇无溶剂氧化的非均相催化剂展示出了超高的催化活性。
该研究团队通过静电相互作用将金属离子吸附到氧化石墨烯表面，金属前驱体与氧化石墨烯模板之间的固定作用有效地防止了加热过程中前驱体纳米颗粒的过度生长团聚。高温煅烧除掉氧化石墨烯模板后，具有单一晶相的纳米粒子相互连接形成具有多孔层状结构的HEO材料（图1）。

图1. 多孔层状HEO形成过程示意图。
制备得到的多孔层状HEO作为非均相催化剂对苯甲醇无溶剂需氧氧化反应表现出了优越的催化能力（图2）。反应仅进行两个小时即可实现高达98％的转化率，高于文献中已报道的贵金属催化剂和其他先进催化剂。通过合理调节催化剂的组成和催化反应时间，主产物可以被选择性地优化为苯甲酸或苯甲醛。

图2. 多孔层状HEO的催化性能研究。
原子尺度上元素随机分布的独特结构赋予了多孔HEO材料优异的催化能力，多孔层状结构极大地增加了催化活性位点的表面暴露，这也使催化剂中存在丰富的氧缺陷。密度泛函理论（DFT）计算表明，相比于块体HEO，氧缺陷的存在显著提高了多孔层状HEO材料对苯甲醇的吸附能力，使催化反应更容易被引发（图3）。同时，多孔层状结构为催化反应提供了较高的比表面积和丰富的暴露催化活性位点，使催化效率显著提高。该工作为以功能为导向合成多孔材料应用于催化领域提供了新思路。

图3.苯甲醇分子在块体HEO和多孔HEO上的吸附态和吸附能的理论计算。
这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。
乔振安教授简介

乔振安，吉林大学化学学院无机合成与制备化学国家重点实验室教授，博士生导师。乔振安教授长期从事介孔材料工程学的研究工作，以功能为导向、围绕多孔材料合成方法学的关键科学问题，设计并精准构建新型多功能介孔材料，开发该系列材料在催化、能源存储与转化、生命医学等领域取得了一系列开创性的科研成果。在国际著名杂志如Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.和Nano Lett.等发表SCI检索论文60余篇，论文累计他引2000余次，H因子为24，参与撰写英文论著1部，获得美国专利1项。主持国家自然科学基金面上项目1项，以骨干身份参与国家自然科学基金创新研究群体项目1项,以骨干身份参与111高等学校学科创新引智计划1项。

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