近年来，碳基催化剂已成为传统上用于支持化学反应的金属催化剂的可持续、可靠的替代品。福州大学先进碳基功能材料重点实验室的研究人员从鸟嘌呤分子中合成了纳米碳，以更好地了解氮在碳基材料中的精确作用，并探索这些催化体系的反应机理。
在最近发布的一项研究中，研究小组阐明了不同类型的氮如何调节氧化脱氢活性 - 这是将惰性化合物转化为活性纳米碳的关键过程。
该研究发布在《碳未来》杂志上。
“这项研究为创造高效的碳催化剂提供了理论指导，这可以推动塑料、医药和橡胶等行业从可再生资源转化的清洁能源，”研究作者、福州大学的Zailai Xie说。
用氮等杂原子掺杂碳材料会改变碳的性质。这种做法引起了人们的极大兴趣，促使研究人员研究可能的好处。特别是氮掺杂已被证明是一种非常有效的策略，可以创造用于二氧化碳捕获、能量转换、储能和其他应用的先进材料。
尽管在氮掺杂领域取得了长足的进步，但仍有一些关键问题仍未得到解答。例如，纳米碳材料的性能受到表面原子官能团的显着影响，但到目前为止，纳米碳材料表现出不可控的表面官能团，这使得识别不同类型反应的活性位点变得复杂。
“这种行为阻碍了我们对氮掺杂剂在提高催化活性和确定催化机理方面所起的内在作用的理解，”谢说。
为了进一步推进氮掺杂纳米碳催化领域，研究人员需要更可控、更表征的催化剂。这将使研究人员能够分离特定氮物种对催化性能的影响。
为了实现这一目标，福州大学研究团队开发了一种在纳米碳催化剂生成过程中精确控制表面官能团，特别是氧和氮基的方法。
该团队通过自组装鸟嘌呤分子获得了一组纳米碳，并在没有氧气的情况下将所得材料暴露在高温下。从鸟嘌呤等生物成分和相关核碱基的超分子自组装中汲取灵感，这种合成方法提供了一种产生有序纳米材料的有趣方法。这些分子具有π堆叠、氢键和其他多重结合位点，可促进功能性超分子组装体的形成。
鸟嘌呤广泛存在于各种生物体的生物光子结构中，呈现出多种形状和大小，包括六边形板、方形板、不规则多边形和棱柱。鸟嘌呤晶体形态的细微变化有助于在动物中观察到丰富多彩的光学现象，例如鱼鳞、蜘蛛体和动物眼睛。然而，对生物体内生物鸟嘌呤晶体形态的精确控制仍然知之甚少。
尽管鸟嘌呤晶体具有显著的特性，但人工生产与生物条件非常相似的规则鸟嘌呤晶体及其随后转化为功能碳材料的方法尚未通过化学合成方法实现。
“合成的碳表现出独特而有趣的特性，包括相对稳定的表面氧基和高氮含量，”谢说。
此外，鸟嘌呤中多个氢键的存在能够形成具有可控氮掺杂剂类型的二维纳米片。氮含量可以在大约 5% 到 30% 之间微调，而氧气含量可以保持在 4% 一致。
“这种独特的特性使鸟嘌呤成为构建模型催化剂的理想概念验证前体，可以深入了解高氮掺杂剂在纳米碳催化中的作用，”Xie说。
为了进一步探索结构 - 功能关系，该团队测试了脱氢和氢化反应，其中氢分子被剥离或添加到更大的分子中。测试表明，纳米碳中不同类型的氮，即石墨氮和吡啶氮，分别作为供电子和吸电子调节剂，可以调整纳米碳的氧化脱氢活性。
“作为一种高效、无金属的催化剂，我们首次揭示了氮掺杂剂在脱氢和加氢中的作用，”谢说。“我们相信，我们的研究结果为氮掺杂碳催化体系的物理化学反应机理提供了有价值的见解，并为高效碳催化剂的合成提供了理论指导。”
