Abstract:

使用冷等离子体表面改性技术在石墨烯表面引入适量含氮基团,通过优化等离子体气源、等离子体放电功率、放电时间和工作气压等工艺条件,高效制备具有两亲表面的氮掺杂石墨烯(NDGR)。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱仪(Raman)、有机元素分析(OEA)、透射电子显微镜(TEM)和水接触角(WCA)等方法对其进行表征。接着以NDGR为载体,制备铂纳米催化剂Pt/NDGR,用于肉桂醛和巴豆醛水相加氢反应。结果表明,采用等离子体两步接枝工艺,即先以氧气(O2)为等离子体气源活化石墨烯表面,再以氨(NH3)为等离子体气源在石墨烯表面接枝含氮基团得到的氮掺杂石墨烯NDGR(O2-NH3)具有最佳的表面性质。与原始石墨烯负载Pt催化剂(Pt/GR)相比,最佳条件 (放电功率140 W, 工作气压200 Pa,放电时间6 min) 下制备的NDGR(O2-NH3)负载Pt催化剂Pt/NDGR(O2-NH3)在肉桂醛(CAL)和巴豆醛(CRAL)水相加氢反应中显示出优良的催化性能。反应条件为80 ℃,3 MPa下,Pt/NDGR(O2-NH3)在4 h内催化肉桂醛的转化率达98%,对不饱和醇肉桂醇(COL)保持高选择性(约84%)；而在巴豆醛水相加氢反应中,Pt/NDGR(O-NH)的表观速率常数kapp达0.53 h-1,远高于Pt/GR (0.37 h-1)。接近完全反应时,Pt/NDGR(O-NH3)亦对巴豆醇(CROL)保持了高选择性(约40%)。Pt/NPGR(O2-NH3)的高催化性能得益于石墨烯表面接枝少量含氮基团后表面性质的增强,包括Pt纳米粒子锚定位点的增加、对底物的高吸附性能以及金属-载体间协同作用。