鐘雪敏等-ACS AM&I:基于管狀埃洛石構筑納米礦物-合金復合催化材料用于可降解塑料單體的高效合成

  
管狀埃洛石(Al4[Si4O10](OH)8·4H2O;HNT)是一種主要分布于火山灰風化壤、風化殼淋積層等表生環境中、自然界產出豐富的粘土礦物。它是一種TO型的二八面體層狀硅酸鹽,屬于高嶺石亞族;其結構單元層由一層硅氧四面體片(T層)和一層鋁氧八面體片(O層)組成,結構單元層間為水分子;因硅氧四面體和鋁氧八面體尺寸不匹配,而發生卷曲形成中空管狀結構。管狀埃洛石的粒度極細微(管徑通常僅數十納米;Yuan et al.,Nanosized Tubular Clay Minerals, 2016),研究難度較大;因而,相當長一段時間以來,對其結構、性質和應用特性所知很少。近十余年來,隨著顯微-微區分析方法的進步及其在納米礦物研究中的應用,對埃洛石的認知水平有了顯著提升(Yuan et al.,Applied Clay Science, 2015)。一方面,地球科學不同領域對埃洛石等納米礦物的關注越來越多;對其在表生環境的廣泛分布性和高反應活性的認識日益豐富,并對其在地球物質循環(如稀土元素富集)中所起作用的研究興趣愈發濃厚。另一方面,埃洛石作為新興工業原料,用于高附加值領域具有巨大潛力,這已引起相關領域的廣泛關注?;诎B迨燃{米礦物的新材料研發和資源高效利用方興未艾。
近期,中國科學院廣州地球化學研究所袁鵬研究員與華南師范大學魏燕富特聘研究員等合作,開發了一種以埃洛石為載體構建雙金屬納米合金催化劑用于生物基可降解塑料單體(2,5-呋喃二甲酸;FDCA)催化合成的新應用。該研究利用埃洛石的中空管狀結構和多類型表面羥基,對埃洛石進行表面氨基化,實現了鉑(Pt)-金(Au)雙金屬納米顆粒在埃洛石內、外表面的均勻負載、高度分散和Pt-Au納米合金構筑。將所制備的Pt-Au/NHT復合物用于催化氧化生物質衍生物5-羥甲基糠醛(HMF)制備FDCA,結果顯示,在優化條件下,該礦物基催化材料對HMF-FDCA反應具有很高的催化活性:HMF轉化率達100%,FDCA選擇性達99%。
通過高分辨透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜等方法,解析Pt-Au/NHT的優異催化性能的內在機制,發現:功能化埃洛石促成了雙金屬納米顆粒的高度分散(圖1),使其具有高密度的金屬活性位點,從而提高了催化活性。雙金屬納米顆粒中Pt和Au間的合金效應則增強了反應物和中間產物的活化,促進了C-H鍵的解離與脫氫,從而加快了FDCA的形成(圖2)。納米顆粒與埃洛石間的強作用力以及埃洛石自身的結構穩定性,還賦予Pt-Au/NHT復合物高穩定性。

圖1. Pt-Au/HNT復合物的形貌及其納米合金顆粒的分布

圖2. Pt-Au/HNT復合物催化氧化HMF制備FDCA的機理示意圖
生物質作為一種新興可再生資源,可替代日益枯竭的化石能源,并可轉化為多種高附加值的化學品;對于我國的碳中和-碳減排以及可持續發展具有重要意義。FDCA作為一種極具應用前景的生物基塑料單體,在生產可降解塑料方面具有重要的應用價值,例如高性能、可回收、可降解的聚2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)。因此,該研究對于埃洛石和生物質資源的高效利用,以及對于實現可降解塑料單體的高效低成本制備,具有現實意義。
相關研究論文發表于美國化學會旗下學術期刊ACS Applied Materials & Interfaces;論文第一作者為廣州地球化學研究所博士生鐘雪敏。研究得到了國家高層次人才特殊支持計劃領軍人才項目、國家自然科學基金國際合作項目和面上項目等課題的資助。
論文信息:Zhong Xuemin;Yuan Peng; Wei Yanfu; Liu Dong; Losic Dusan.; Li Mengyuan. Coupling Natural Halloysite Nanotubes and Bimetallic Pt–Au Alloy Nanoparticles for Highly Efficient and Selective Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural to 2,5-Furandicarboxylic Acid. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022, 14(3), 3949-3960.
 
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