基于金属锰咔咯的低维纳米催化材料设计及其可见光催化活性的理论研究

批准号:
21663008
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
39.0 万元
负责人:
朱纯
依托单位:
学科分类:
B0301.化学理论与方法
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
朱必学、王海燕、李鹏、聂国艳、龙昌亮、张建军
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中文摘要
均相催化剂的多相化是解决均相络合催化中有效分离和循环使用过渡金属催化剂的核心问题的有效途径之一。金属锰咔咯均相催化剂具有催化性能高,反应条件温和等诸多优点,其非均相化可以极大的拓展其在工业上的应用。本项目在前期对金属锰咔咯催化机理的初步探讨基础上,通过对其多聚体结构电子性质的研究,筛选出稳定高效的桥连基团,并对这些多聚体在可见光照射条件下活化分子氧的机制以及生成的高活性氧锰咔咯多聚体催化氧化有机底物的催化机理研究。项目拟以二聚体金属锰咔咯为基本结构单元,沿二聚体平面的轴向方向进行生长、卷曲构筑一维纳米带、纳米管和二维平面等催化新材料,探索这些低维纳米材料的电子性质、能带结构特征、光学响应性质及其稳定性,研究其活化分子氧的机制和催化反应的机理,为实验上发展以金属锰咔咯为结构单元的一类新型高催化活性低维纳米材料及其在工业上大规模的应用提供理论依据。
英文摘要
The heterogenization of homogeneous catalysts is one of the effective ways for effective separation and recycle of the transition-metal catalysts in homogenerous coordination catalysis. The Mn-corrole catalyst is of high catalytic activity, excellent stability, and mild reaction conditions, and its heterogenization can greatly expand its applications in industry. Base on our previous studies on the Mn-corrole catalyst, here the electronic properties of the Mn-corrole-based polymer will be explored through further screening of the stable bridging groups. The activation mechanism of molecular O2 by these polymers and the photocatalytic mechanism of their active oxides of Mn(v)-oxo corroles will be investigated. The one-dimensional nanoribbon and nanotube, as well as the two-dimensional planar meterial will be constructed by growing and crimping the structural unit of the Mn-corrole dimer along its axial direction. Extensive first-principles calculations will be utilized to ivestigate their electronic properties, the energy band structure, structural stabilities, optical response properties, and the possible catalytic mechanisms for the dioxygen activation and selected catalytic processes. This project aims to design and predict a novel class of Mn-corrole-based low-dimensional nano-materials with high photocatalytic activities, which will lay a solid theoretical foundation for the further experimental study and the large-scale application of the Mn-corrole-based heterogeneous catalyst.
直接用氧气作为氧化剂具有原料来源极其丰富、价格低廉、无任何污染等众多优点。因此,设计出某种过渡金属复合物催化剂,它能够在温和的反应条件下催化以氧气作为氧化剂的氧化反应,这将具有重要的经济价值和环境意义。Goldberg小组首次报道了,在可见光照下可以直接利用清洁的空气或者纯氧作为氧化剂,将三价锰咔咯氧化成五价锰氧咔咯,这样极大的拓展金属氧化物的应用前景,但对该反应的机理却存在很大的争议。针对上述存在争议的科学问题,我们采用密度泛函理论计算详细研究了该反应中氧气光催化活化的微观机理,发现氧气并不是被活化为单重态,而是Mn的两个d轨道分别与氧气的两个轨道形成两个离域键,从而形成端位O原子上有两个单电子的活泼的类自由基[Mn]-O-O物种。这一重要的理论研究结果从根本上解释了实验上存在争议的三价锰咔咯氧化成五价锰氧咔咯反应机理。在此基础上,为了进一步提高其实际应用价值,将金属锰咔咯均相催化剂进行非均相化,我们以稳定的–C≡C–桥连基团将Mn咔咯单体连接得到包含多个Mn金属活性中心的二聚、四聚体,进而得到一类具有高稳定性和光催化活性的二维金属Mn咔咯纳米催化材料,催化材料既保持了金属Mn咔咯单环在可见光照射条件下催化活化氧气的优越性质,同时又是一类具有高稳定性非均相催化材料,氧化后的Mn-O-O活性中心可以催化活化CH4。同时为了提高该二维材料的催化效率和催化选择性,我们采用了外电场对其反应过程进行了精准调控,并深入分析了其调控的微观机制。此外我们还结合当前单原子催化剂的研究热点,理论设计得到了一维单原子金纳米线和具有光催化活性的二维纳米材料Au/g-C3N4,并且对其它金属咔咯的性质以及可能的应用进行尝试性的探索研究。.该项目的实施取得了丰富的成果,已发表高水平论文9篇,其中sci论文8篇,1篇成为所发表期刊的高引用论文。培养研究生4名,其中1人获得国家奖学金。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Synthesis of 2,6-Diamidopyridinedipyrromethane Macrocycles and Their Binding Properties for AcO-
2,6-二氨基吡啶二吡咯甲烷大环化合物的合成及其与AcO-的结合性能
DOI:10.6023/cjoc201705016
发表时间:2017
期刊:Chinese Journal of Organic Chemistry
影响因子:1.9
作者:Liu Xingli;Tang Zhanghe;Chen Dongmei;Zhang Wenlong;Chen Huaiyu;Zhu Chun;Zhu Bixue
通讯作者:Zhu Bixue
Theoretical investigation on the electronic structure of one dimensional infinite monatomic gold wire: insights into conducting properties.
一维无限单原子金线电子结构的理论研究:对导电性能的见解
DOI:10.1039/c8ra08286c
发表时间:2019-01-09
期刊:RSC ADVANCES
影响因子:3.9
作者:Liang, Jin-Xia;Wu, Yanxian;Deng, Hongfang;Long, Changliang;Zhu, Chun
通讯作者:Zhu, Chun
DOI:DOI: 10.1016/S1872‐2067(20)63707‐X
发表时间:2020
期刊:Chinese Journal of Catalysis
影响因子:16.5
作者:Chun Zhu;Jin‐Xia Liang;Yang Meng;Jian Lin;Zexing Cao
通讯作者:Zexing Cao
DOI:10.15991/j.cnki.411100.2018.02.013
发表时间:2018
期刊:河南大学学报(自然科学版)
影响因子:--
作者:龙昌亮;支青;聂国艳;王海燕;孟洋;朱纯
通讯作者:朱纯
Theoretical investigation on the photocatalytic activity of the Au/g-C3N4 monolayer
Au/g-C3N4单层光催化活性的理论研究
DOI:10.1142/s0219633617500134
发表时间:2017-04
期刊:Journal of Theoretical and Computational Chemistry
影响因子:2.4
作者:Nie Guoyan;Li Peng;Liang Jin-Xia;Zhu C
通讯作者:Zhu C
UiO-66负载单原子催化剂低温催化甲烷直接转化为甲醇反应的理论研究
- 批准号:22363001
- 项目类别:地区科学基金项目
- 资助金额:32万元
- 批准年份:2023
- 负责人:朱纯
- 依托单位:
外电场调控氧金属咔咯/氮杂咔咯选择性活化甲烷C-H键的理论研究
- 批准号:21963005
- 项目类别:地区科学基金项目
- 资助金额:41.0万元
- 批准年份:2019
- 负责人:朱纯
- 依托单位:
国内基金
海外基金
