碳负载贵金属团簇界面结构调控对H₂O₂合成催化性能的影响.docxVIP

碳负载贵金属团簇界面结构调控对H?O?合成催化性能的影响

一、引言

1.1研究背景与意义

过氧化氢（H_2O_2）作为一种重要的绿色化学品，在众多领域都有着广泛的应用。在化工领域，它是生产过硼酸钠、过碳酸钠、过氧乙酸、亚氯酸钠等的关键原料，也是酒石酸、维生素等合成过程中的氧化剂；在医药方面，不仅可用作杀菌消毒剂，还参与维生素B_1、维生素B_2和激素类药物的合成；在环保领域，可用于废水处理，有效降解有机污染物；在造纸和纺织行业，H_2O_2常被用作漂白剂，能使纸张和织物达到理想的白度，且漂白用时短、白度高、久置不褪色。此外，高浓度的H_2O_2因其超强氧化性，可用作火箭动力助燃剂，为航天事业的发展提供动力支持。随着各行业的发展，对H_2O_2的需求也在持续增长，据报道，自20世纪90年末以来，中国过氧化氢生产能力以年均15.5%的速度增长，世界总生产能力也以年均10%左右的速度增长。

目前，工业上生产H_2O_2的主要方法是蒽醌法。蒽醌法是将蒽醌溶解在有机溶剂中，形成工作液，在催化剂的作用下，工作液中的蒽醌与氢气发生氢化反应，生成氢蒽醌；随后，氢蒽醌与氧气发生氧化反应，重新生成蒽醌，并产生H_2O_2。然而，这种方法存在诸多缺点，例如工艺复杂，涉及多步加氢和氧化反应；能源消耗量大，需要消耗大量的氢气和氧气；而且会产生污染废物，对环境造成一定的压力。此外，还有空气阴极法、异丙醇氧化法、甲基苄基醇（MBA）氧化法等，但这些方法也都存在各自的局限性，如异丙醇氧化法会联产丙酮，产物分离复杂，且对设备要求较高；空气阴极法存在阴极催化剂易中毒、电流效率低等问题。

氢氧直接合成法作为一种具有潜力的制备H_2O_2的方法，因其原子效率高、制备方便、不产生污染物等优点，近年来受到了广泛关注。该方法直接利用氢气和氧气在催化剂的作用下合成H_2O_2，反应原子利用率可达100%，符合绿色化学的理念。然而，这一方法的关键在于催化剂的性能。碳负载贵金属团簇催化剂由于其独特的结构和性能，在氢氧直接合成H_2O_2中展现出了潜在的应用价值。贵金属团簇具有高的比表面积和丰富的活性位点，能够有效地吸附和活化反应物分子，促进反应的进行。而碳载体具有良好的导电性、化学稳定性和高比表面积，不仅可以提高贵金属团簇的分散性，防止其团聚，还能与贵金属团簇产生协同作用，进一步提高催化剂的性能。例如，碳纳米管具有独特的一维结构和优异的电学性能，能够快速传递电子，促进反应动力学过程；石墨烯具有高的电子迁移率和大的比表面积，为反应提供了更多的活性位点。

通过研究碳负载贵金属团簇的界面结构与催化合成H_2O_2性质之间的关系，可以深入了解催化反应的机理，为开发高效、稳定的催化剂提供理论基础。这对于推动氢氧直接合成H_2O_2技术的工业化应用，解决传统制备方法的缺点，满足日益增长的H_2O_2需求，具有重要的科学意义和实际应用价值。同时，这也有助于促进绿色化学和可持续发展的进程，为环境保护和资源利用做出贡献。

1.2研究目的与内容

本研究旨在深入探究碳负载贵金属团簇的界面结构对催化合成H_2O_2性质的调控机制，通过理论计算和实验研究相结合的方法，揭示碳载体与贵金属团簇之间的相互作用规律，为设计和开发高性能的碳负载贵金属团簇催化剂提供理论依据和技术支持，具体研究内容如下：

研究碳负载贵金属团簇的界面结构与电子性质：采用密度泛函理论（DFT）计算，系统研究不同碳载体（如石墨烯、碳纳米管等）负载的贵金属团簇（如Au、Pd、Pt等）的界面结构和电子性质。分析碳载体的结构、缺陷、掺杂等因素对贵金属团簇的吸附能、电荷转移、电子态密度等电子性质的影响，明确界面结构与电子性质之间的内在联系。

探究界面结构对催化合成反应路径和活性的影响：基于DFT计算，研究氢氧直接合成H_2O_2在碳负载贵金属团簇催化剂上的反应路径和机理。通过计算反应过程中的能量变化、过渡态结构等，分析界面结构对反应活性和选择性的影响。揭示碳载体与贵金属团簇之间的协同作用机制，明确界面结构中影响催化活性的关键因素。

制备具有特定界面结构的碳负载贵金属团簇催化剂并测试其性能：采用化学合成方法，如浸渍法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法等，制备具有特定界面结构的碳负载贵金属团簇催化剂。通过改变制备条件，调控碳载体与贵金属团簇之间的相互作用和界面结构。利用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，对催化剂的结构和组成进行详细表征。在固定床反应器、流动池反应器等反应装置中，测试催化剂在氢氧直接合成H_2O_2反应中的催化性能，包括H_2O_2的产率、选择性、稳定性等。

建立界面结构与催化性能之间的构效关系：结合理论计算和实验结果，建立碳负载贵金属团簇