光响应多孔催化材料的构建及其在甲烷选择性官能化中的应用研究
批准号:
22078288
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
张治国
依托单位:
学科分类:
精细化工与专用化学品
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张治国
中文摘要
甲烷作为重要的C1资源,如何实现甲烷的选择性官能团化,是科学上目前面临的主要挑战也是化学化工研究领域的“圣杯”。本项目针对甲烷活化过程中反应温度高、选择性低,以及催化剂昂贵且易失活等关键问题,通过气相团簇反应模型考察铈金属与不同金属间的轨道杂化情况对甲烷活化的影响,初步筛选掺杂金属;在此基础上,利用金属铈的光响应特点和MOFs材料空间的限域效应,将具光催化活化甲烷能力的铈金属和掺杂组分直接引入到MOFs材料中,形成具有高催化活性和高选择性的光响应双金属多孔催化材料。围绕甲烷官能团化的效率和选择性等核心问题,建立和发展新型光响应催化体系,从反应动力学和反应机理出发研究具有光响应催化材料的关键调控因素,研究成果有望为温和条件下甲烷的官能团化提供科学基础和应用参考。
英文摘要
As an important C1 resource,how to realize the selective functionalization of methane is one of the main scientific challenges and the “Holy Grail” in the field of chemical engineering. The proposed work aims at solving the vital issues of high reaction temperature, low selectivity, and the use of precious metals during methane activation. Initially, the gas phase cluster reaction model will be used to screen doped metals by investigating the orbital hybridization between cerium and different metals and its effect on activation. Considering the features of optical response characteristic of cerium metal and confinement effect of MOFs, Photoresponsive bimetal porous catalytic materials with high catalytic activity are fabricated by simply introduction of cerium metal and doped metals into the framework of MOFs. Given the core issues of the efficiency and selectivity of methane activation, the proposal focuses on the construction and development of a new type of photocatalytic MOFs system through detailed investigation of their key regulatory factors and mechanism in methane activation and subsequent functionalization. The successful implementation of this project is expected to provide scientific basis and practical applications for the efficient and clean preparation of value-added methane derivatives under mild conditions.
甲烷作为天然气的主体成分,不仅是现代能源体系的重要支柱,更是石油化工领域中不可替代的关键C1平台分子。随着探明储量与开采技术的同步突破,甲烷资源的高效转化与高值化利用逐渐成为全球能源化工领域的研究焦点。相较于传统的间接转化路径,甲烷的直接催化转化不仅能有效缓解传统石油化工对不可再生资源的过度依赖,更为实现碳资源循环利用和可持续发展提供重要途径。然而,甲烷分子具有高度对称的分子构型和极低的极化率,其C-H键解离能高达439 kJ·mol⁻¹,这种独特的电子结构特征导致其活化过程面临巨大挑战。针对甲烷直接活化转化过程中反应温度高、选择性差,以及催化剂昂贵且易失活等关键问题,创新性地提出光场强化催化策略:通过构建具有特定几何构型和电子结构的金属活性中心,利用光生载流子的定向迁移特性,实现了C-H键的选择性吸附与活化。围绕甲烷官能团化的效率和选择性等核心问题,基于密度泛函理论计算指导催化剂理性设计,构建了Ce基MOFs材料中金属节点电子态密度的调控机制;通过原位表征技术解析光激发状态下表面吸附-活化-转化的动态过程,揭示了甲烷活化过程中活性物种演变规律;基于光热协同反应策略,建立了光-热-暗协同催化体系,优化了甲烷活化转化路径,提升单一产物选择性与生成效率。研究成果为新一代光催化剂的设计与制备提供了理论支撑,为推动温和条件下甲烷分子的精准活化与定向转化提供了技术储备。
手性磷酸共价有机框架材料的构建及其不对称催化氧化性能研究
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批准号:21878266
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2018
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负责人:张治国
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依托单位:
(硫)脲与Bronsted酸协同催化不对称合成及其调控因素研究
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批准号:21376212
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项目类别:面上项目
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资助金额:86.0万元
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批准年份:2013
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负责人:张治国
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依托单位:
国内基金
海外基金