从上世纪60年代至今, 炭材料迅猛发展, 新型炭材料不断涌现, 新特性不断被发掘, 例如从最硬-最软、绝缘体-半导体-良导体、全吸光-全透光、绝热-良导热[1~3], 这些丰富各异的性质激励研究者积极探索炭材料在催化、吸附、储能、燃料电池、光学器件、导热材料等领域的应用性能.炭材料本质上由碳元素组成, 碳元素在元素周期表中位于金属性最强的碱金属和非金属性最强的卤素之间, 外层电子结构为2s22p2, 可形成sp, sp2, sp3多种杂化轨道模式, 这是炭材料家族成员性质各异的主要来源.目前文献中关于“碳”与“炭”的用法尚不规范. “碳”字是1930年首次在《王云五大字典》收录, 通常用来指代化学元素(C), 也可用来指代由纯碳元素组成的碳基材料, 例如:石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管及石墨烯. “炭”字历史久远, 《说文解字》中描述为木材烧而未烬的余料, 通指以碳元素为主, 由碳和氧、氮、硫、氢等杂原子构成的材料, 也可含有少量无机物灰分杂质等[4].在化学和材料科学领域, 很难制备出碳含量为100%的材料, 通常都会含有一些杂原子, 特别是在空气中放置后, 材料表面容易形成含氧官能团.
在催化领域, 从约定俗成角度, 可以把炭材料分为晶态碳和非晶态炭两大类.前者主要包括碳纤维、碳纳米管、富勒烯、石墨烯、纳米金刚石等, 后者则主要包括炭黑、活性炭、炭分子筛、介孔炭等.晶态碳是指碳原子排列长程有序的炭材料, 其中的碳六元环结构可被视为炭材料结构单元.非晶态炭是由尺寸小于10 nm且富含缺陷和非碳杂原子的石墨微晶堆叠而成, 不具备长程有序原子结构.由于石墨微晶的无序和不平整堆叠, 非晶态炭材料通常具有大的比表面积和丰富的孔结构, 主要作为催化剂载体[3, 5, 6].与工业用氧化物载体(氧化硅、氧化铝等)相比, 炭材料载体具有良好的导电性、耐酸碱性和水热稳定性, 适用于电催化或反应条件相对苛刻的催化体系.近年来, 晶态碳直接作为催化剂在烷烃氧化脱氢和电催化过程表现出较高的活性[7, 8], 这极大拓展了炭材料的催化应用范围.炭材料表面的缺陷位、官能团、以及掺杂原子, 一方面可以通过化学键或静电力作用, 促进活性金属组分的分散和固载, 同时调变其电子特性[9~13]; 另一方面可以直接作为反应的活性位点, 参与催化过程.由于非晶态炭材料表面结构组成的复杂性, 关于炭材料的催化过程和机制研究主要集中在结构相对均一明确的晶态碳上.本文主要从炭催化材料的应用领域、碳催化的机制认识、炭基催化剂工程、炭催化材料的制备几个方面简要概述发展状况、存在问题与挑战, 并对今后的发展提出一点拙见.
根据反应过程中外场能量输入方式的不同, 炭材料的催化应用主要包括传统热催化和新兴的电催化过程.炭材料具有比表面积大、孔隙丰富、热和化学稳定性好的特点, 在热催化领域, 作为催化剂用于生产光气、磺酰氯[14], 作为催化剂载体用于燃料气催化脱硫、脱硝[15, 16], 均已实现工业化.近年来的研究热点是晶态碳在烷烃氧化脱氢反应和生物质及其衍生物转化中的性能探索.由于炭材料优异的导电性, 在电催化领域被誉为不可或缺的“明星材料”.
晶态碳通过表面官能化、杂原子掺杂以及缺陷化处理, 可以直接用作气/固、液/固两相反应的催化剂, 而且晶态碳的结构相对清晰, 利于表征和理论模型建立. Schlögl和苏党生等[8]报道氧官能化的石墨、碳纤维可催化乙苯高选择性脱氢制苯乙烯.原位表征手段揭示晶态碳表面的醌基官能团能够活化C-H键和O2分子, 完成烷烃脱氢的催化循环[17].石墨的共轭电子能够催化多电子还原反应.氧化石墨zigzag边上的碳原子电子密度高, 可以弱化硝基苯中N-O键, 催化硝基苯加氢经苯基羟胺生成苯胺[18].苏党生等[19]发现, 碳纳米管的羰基和羟基官能团有利于氢供体肼的吸附活化, 可催化亚硝基苯还原生成苯胺.
在液相反应中, 氧化石墨上的环氧官能团可以选择性地亲核进攻苯甲醇的α-H, 随后吸附态物种发生脱水反应生成苯甲醛[20, 21].含氧官能团通常位于zigzag和armchair边, 紧邻缺陷位上配位不饱和的碳原子, 二者在氧化反应中存在协同作用.例如, 带有正电荷的碳原子可以活化更惰性的O2分子, 产生过氧自由基, 发生亲核反应催化苯甲醇氧化脱氢生成苯甲醛[22].氧化石墨烯表面接枝酸性强的磺酸基团可用作固体酸催化剂, 催化环己醇和乙酸酯化制脂肪酯, 以及环氧丙烷水解制丙二醇的反应, 反应活性优于传统固体酸[23].由于炭固体酸催化剂的水热稳定性好, 在乙酸乙酯水解反应中循环性能稳定, 有望取代商业化的Nafion固体酸催化剂和浓硫酸液体催化剂[24].
氮掺杂(石墨型、吡啶型、吡咯型)能够增加炭材料电子密度, 其中吡啶型氮具有一对孤对电子, 可以在有水环境中质子化生成Brønsted-Lowry碱, 呈现出中等强度的碱性[25]. Arai等[26]发现, 缩合反应活性与吡啶型氮的含量呈现正相关.福州大学王绪绪等[27]捕获到石墨型氮位点上稳定的过氧自由基, 认为氮原子直接活化O2引发了后续的氧化脱氢反应.同样基于氮掺杂石墨烯催化剂, 陈乾旺等[28]发现, 石墨烯表面与氮直接相连的碳原子带有部分正电荷, 能够促进4-羟基硝基苯的吸附活化过程, 明显提高硼氢化钠为还原剂的4-羟基硝基苯加氢反应速率.
由于炭自身催化惰性, 活性主要来源于缺陷、掺杂、官能团, 数量和形式不易控制和富集, 导致催化活性与金属催化活性相比, 通常还有差距[29, 30].
与作为活性组分相比, 炭材料更适合作为载体使用[31, 32].碳纳米管可用作模型催化剂载体, 研究负载的金属组分与载体之间的相互作用以及金属活性组分的尺寸效应等[33, 34].包信和院士率先提出碳纳米管对活性金属的限域效应[35~37], 即碳纳米管内空间负载金属纳米颗粒, 可有效阻止颗粒团聚, 同时受到碳纳米管弯曲的π电子排布影响, 管内的金属纳米颗粒呈现出更强的给电子性.该研究拓宽了金属-载体相互作用机制的种类, 推动了炭材料在费托合成及合成氨等相关领域中的催化应用[38~40].
炭载金属催化剂通常表现出更高的可还原性和分散度[41], 可显著增强选择加氢[42~47]、生物质及其衍生物转化[48~51]、费托合成制低碳烯烃[52]、氨分解制氢[53]的催化活性. Sakanishi等[54, 55]发现, 炭载CoMo催化剂在加氢脱硫反应中的活性明显高于氧化铝担载的催化剂.氮掺杂能够改善炭载体的表面浸润性, 利于贵金属活性组分Ru的分散和锚定, 提高芳香醚的选择加氢反应活性[44].氮掺杂炭负载铁或钴活性组分, 由于氮原子的给电子特性, 铁或钴在较低温度下即被还原, 防止了高温还原颗粒尺寸长大, 进而提高了费托合成反应活性[55~61].此外, 孔结构也是影响活性组分的分散性与负载量的重要因素.具有多级孔结构的炭材料负载Ni催化剂表现出高的酸性位密度, 可提高纤维素水解反应速率[50].
为了避免炭载体的氧化烧蚀问题, 炭载催化剂一般不适用于高温的气固相氧化反应, 催化剂再生不宜采用高温燃烧的方法, 但是从贵金属催化剂回收角度考虑, 采用燃烧去除炭载体, 既可以取热也能直接富集贵金属, 在当今环保压力下是一种处理固体废弃物很有效的方法.
炭材料具有导电率高的独特优势, 非晶态炭的导电率可达1.25×103 × 2~103 S/m; 晶体石墨为2.5×105 S/m//基面, 3.3×102 S/m⊥基面[62], 单壁碳纳米管电导性最高可达5000 S/cm[63], 石墨烯电导率约为106 S/cm[64], 它们为电催化研究提供了丰富的材料基础, 并直接促进了电催化领域的研究热潮.现在主要是通过杂原子掺杂构筑配位型过渡金属(M-N-C)活性中心, 或通过创制缺陷位等手段制备活性炭基催化剂, 用于催化氧还原(ORR)、电解水(析氢HER及析氧OER)、二氧化碳还原(CO2RR)、氮气还原(NRR)等电催化过程[65].下面以ORR反应为例, 按照单个杂原子, 双杂原子掺杂及金属-杂原子共掺杂的分类进行讨论.
杂原子掺杂能够改变炭材料表面的电荷密度和自旋密度, 从而影响ORR反应性能[66].通过在石墨化结构中掺杂电负性差异的杂原子(N, S, B等), 可生成局域正电性位点, 有利于O2分子的双原子吸附, 从而辅助O-O键的断裂并促进4电子氧还原过程, 提高ORR性能[67].石墨中碳原子被氮原子替代后, 氮的孤对电子可离域至石墨碳的π轨道, 从而实现n-型掺杂, 吡啶氮的引入则呈现p-型掺杂效应[68]. Nakamura等[69]提出并证明与吡啶氮直接相连的碳原子具有Lewis碱性, 是ORR反应的活性位.
由于硫原子的半径较大, 硫掺杂使炭材料的结构缺陷密度增加, 创造了更多的边缘活性位, 并且由于硫原子具有空的d轨道, 可作为弱的亲核试剂参与反应[70].乔世璋等[71]认为, 硫掺杂炭材料ORR活性的提升与碳原子自旋密度改变有关.硫氮共掺杂炭材料表现出较单独氮或硫掺杂炭材料更高的ORR性能.硼的三个价电子都用于形成σ键, 因而呈现p-型掺杂效应[72].由于硼和氮元素电负性差异, 硼氮共掺杂的炭材料优于单元素掺杂炭的ORR性能[73, 74].此外, 双原子掺杂炭材料表面存在多种不同的原子配位组合, 吕宝亮等[73]通过实验与理论计算相结合, 证明了石墨型N-BC3结构是ORR反应性能最佳的掺杂构型.
在杂原子掺杂炭表面, 引入配位型过渡金属(Mn, Fe, Co, Ni, Cu等), 可构筑M-N-C炭基催化剂.在ORR中M-N-C材料具有类Pt的M-Nx活性位, 在酸碱性环境中具有较高ORR催化活性.同时这类M-N-C催化材料所需前驱体种类丰富, 制备成本低、抗甲醇性能好, 有希望替代Pt基催化剂.研究发现将过渡金属Ni高分散锚定在双原子氮硫掺杂的炭纳米片上, 表现出增强的ORR活性[75].
此外, 通过创制富含表面缺陷的炭材料载体, 可制备Pt单原子分散的高效ORR催化剂, 表现出与商业Pt/C相当的表观电催化ORR性能, 双缺陷中四个碳原子锚定一个Pt原子所构成(Pt-C4)被确认为活性中心[76], 上述ORR炭催化剂结构设计与活性位创制策略也适用于电解水、二氧化碳及氮气电解还原催化过程, 表明炭基电催化剂应用的广泛性与通用性.
需要注意的是, 目前炭催化剂在电化学反应过程中还存在结构稳定性的问题, 在高过电势条件下, 炭表面容易被氧化剥离.对于以缺陷、掺杂原子为活性位的炭基电催化材料存在活性位密度不高, 交换电流密度相对较低的问题, 距离实际应用还有一定差距.
炭材料独特的结构特征, 如曲率、边缘、缺陷、掺杂位点等, 会导致其电子结构发生变化, 这是碳催化活性的主要来源.根据杂化轨道理论, 碳原子的四个价电子可通过sp、sp2或sp3杂化形成相应的碳炔、石墨和金刚石等碳单质的同素异形体.其中sp3杂化的碳原子间以σ键相连, 形成的金刚石为绝缘体.常见的sp2杂化碳单质材料以石墨、石墨烯为主, 由于存在离域的π电子而表现出一定的金属性[77, 78].上述材料尺寸纳米化后, 由于碳骨架曲率、表面缺陷等的存在引起了电子的局域化, 尤其是sp2杂化的石墨碳层表面和边缘存在的配位不饱和碳原子上存在明显局域化的电子(图 1)[77, 79].这些拓扑缺陷和边缘碳原子可以直接活化C-H键或氧分子, 催化甲烷裂解[80~82]、烷烃脱氢[83~86]和C-C偶联[87]等反应.
杂原子掺杂是碳催化活性的来源之一.炭材料表面缺陷位的存在使碳原子更容易与其他杂原子(B, N, O等)成键, 暴露在特定的气氛中即可实现杂原子的引入, 从而改变其电子结构, 表现出半导体的特征.由于元素电负性的差异, 杂原子掺杂改变了其能带结构, 创制了新的局域电子环境, 表现出催化活性.碳催化的活性位主要包括: (1)杂原子本身可作为反应活性位; (2)杂原子官能团作为反应活性位, 若反应遵循Mars-van-Krevelen机理, 则催化活性中心可看作是配位不饱和的碳原子; (3)与官能团相邻的碳原子位, 由于受到不同官能团拉电子/给电子性效应影响, 邻位碳原子上电子云密度发生变化从而促进反应物的活化.
晶态碳结构相对清晰, 对晶态碳的结构解析与定量分析, 有助于确定催化活性中心, 并在分子水平上理解催化机制.但是炭材料表面活性位的稳定性易受温度和气氛影响, 活性位的种类和数量会随着反应的进行而发生改变, 特别是在氧化还原反应过程中, 因此对碳催化的本质认识还存在相当的局限性.目前对其催化活性中心的研究大多依赖于理论计算.理论计算通常需要构建模型, 将复杂结构简单化, 忽略实际炭材料表面曲率、结构缺陷、杂原子落位的复杂性, 计算结果往往难以完美解释实际催化体系.制备结构规整、均匀可控的炭材料是研究其催化作用机制和构效关系的基础, 发展适合于碳催化的原位实时、实空间表征技术是揭示催化本质的有效手段.
非晶态多孔炭材料具有发达的孔隙结构、可精确调变的表面极性、优异的吸附性能及良好的稳定性, 作为催化剂载体, 在担载贵金属(如Pt, Pd, Ru等)、过渡金属(Fe, Co, Ni, Cu等)、硫化物(如MoS2、ZnS等)、多酸等活性组分方面具有不可替代的优势, 主要的作用体现在高度分散并锚定活性组分.晶态碳的载体效应首推碳纳米管的限域效应, 这一理论认识把炭载体效应提升到了与氧化物载体效应同样重要的位置.
为了实现催化活性位的高效利用, 需要提高反应物在炭载体界面处的浸润性, 促进内扩散, 增大与活性位的接触几率.通常可采取以下方法: (1)材料的低维化和纳米化[89], 暴露更多的晶格缺陷与边缘结构, 缩短反应的扩散路径; (2)调控炭材料的织构参数[90], 提高炭材料的比表面积, 精确调控孔径分布, 提高反应物的扩散速率; (3)调控孔道内表面的极性位密度与分散性, 改善反应物的浸润性[91, 92].
催化材料是催化技术的核心.碳催化科学的发展离不开炭基催化材料的精准设计与可控制备.传统非晶态炭材料多数是以价格便宜的富碳原料, 如煤、石油焦、沥青、果壳类生物质为原料, 经过高温炭化处理得到.由于原料来源的不确定性, 所制备炭材料形貌杂乱、孔道无序、微纳米尺度结构可控性差, 影响构效关系的准确研究, 难以应用于高端领域.如果能够借鉴沸石、氧化物载体的合成, 发展在溶液体系分子组装策略, 形成结构可控的炭前躯体聚合物, 有助于获得孔道、形貌、表面极性、晶态、掺杂、甚至缺陷可多尺度、多维度调控的炭材料制备方法.但挑战在于与沸石和氧化铝等无机物相比, 炭前躯体聚合物在100~300 ℃就会受热而软化, 在炭化过程中由于热分解和热收缩极易导致结构塌陷.因此探寻热收缩率低、结构稳定、残炭率高、能够抵御热效应的有机-有机自组装体系一直是炭催化材料研究领域的难点.
晶态碳通常都可通过化学气相沉积(CVD)方法制备.碳纳米管还可经过电弧放电、激光烧蚀等方法制备; 石墨烯制备方法还包括机械剥离、氧化还原、自下而上的共轭分子外延生长等.这些方法在材料结构精确控制及提纯方面还有一定困难.对于碳纳米管的直径、取向、手性的控制及对于石墨烯的二维尺寸、层数及缺陷调控是目前材料化学领域研究的难点.由于大部分晶态碳制备过程中有金属催化剂的参与, 酸洗提纯很难完全除去金属颗粒/团簇, 这些痕量金属的存在对于催化活性的影响很难排除, 也影响构效关系的构建.
炭催化材料的设计主要考虑维度、尺度、晶态、织构参数、异质原子掺杂、拓扑缺陷等几个方面.低维化和纳米化有利于控制炭材料的结构单元尺寸与形貌, 为认识理解催化构效关系提供相对规整的模型材料; 织构参数设计包括比表面积、孔径以及孔容积等; 异质原子掺杂包括杂原子取代及官能团边缘修饰; 拓扑缺陷包括基面石墨烯晶格缺陷.炭催化材料的晶态结构对催化性能影响显著, 如何调控气相沉积制备工艺及过渡金属催化剂, 催化sp2晶核生成过程, 并促进有序晶化是获得晶态碳的关键.织构参数调控主要通过自下而上的碳源设计、模板策略、3D打印技术[93]、炭化活化等手段.异质原子掺杂方法包括(1)选用含杂原子小分子为碳源, 以化学气相沉积方式, 实现炭材料原位掺杂[94]; (2)以含杂原子的聚合物(如聚苯并噁嗪、聚苯胺、聚吡咯等)为碳源[95, 96], 通过硬模板(介孔硅、分子筛等)[97]、软模板(嵌段共聚物表面活性剂胶束)[98]或无模板(本身即可成为炭骨架)[99]方法制备掺杂多孔炭; (3)通过氮气等离子体、氨气高温处理、表面接枝等后处理方法将杂原子引入现有的碳骨架中.拓扑缺陷主要源于炭材料本身的晶格缺陷; 引入人工缺陷的方法主要包括等离子体处理、化学刻蚀(CO2, H2O活化[100, 101]; KOH, H2O2活化[102~104])等.
总体来看, 目前炭材料结构调控已经取得了重要进展, 但从深入认识和理解炭催化作用与机制的角度, 仍然需要发展炭材料的精细化合成与纳米定制方法, 即对炭材料的形貌、晶态、孔隙结构与表面化学能够实施多尺度协同调控, 另外炭催化剂的拓扑缺陷与掺杂缺陷的定量调控仍面临挑战.
碳催化研究的最终目标是能够实现工业催化应用, 因此需要考虑炭基催化剂工程问题, 这一问题现阶段关注较少.从反应动力学和反应工程的角度, 均涉及扩散、传质、传热问题, 这依赖于催化剂的成型技术和反应器的设计.催化剂成型是实现其工业应用的重要环节, 但成型过程中需要添加助剂, 而且在不同操作规模中介质流动状况、传质、传热及浓度、温度梯度分布等反应环境也将发生变化, 导致成型后的催化性能与粉末催化剂相比存在差异.强化多相界面有效接触、增强反应物扩散、抑制产物反扩散, 提升炭基催化剂的性能研究还在起步阶段.对于液-固相催化反应, 搅拌釜式反应器操作灵活、反应时间、温度控制方便的优点, 应用广泛, 但存在催化剂磨损严重、催化剂易团聚失活、分离困难的问题[48].比如, Kapteijn等[105]研究了Pt-/Ir负载的炭涂层结构催化剂在肉桂醛选择性加氢制备肉桂醇中的应用.研究显示, 与传统浆料催化剂相比, 整体式结构催化剂具有更好的抗磨损能力; 整体式结构催化剂避免了繁琐的催化剂回收过程, 表明其在替代炭基浆料催化剂方面的潜力.近期, Hu等[106]研究了木材衍生整体式炭并应用于锂氧电池.由于其优异的导电性及规整排列的贯通孔道利于Ru催化剂的均匀负载及反应物的扩散, 该类型整体炭代表一类理想的三相(电解液、氧气及催化剂粒子)反应微反应器.
构建强度、耐磨性满足要求, 反应过程中结构稳定, 孔隙发达无死孔的自支撑整体式结构催化剂, 融合催化剂和反应器设计于一体, 是减小放大效应的有效手段.
综上所述, 近年来关于炭基催化材料及其相应催化新体系的研究已经成为当前国内外热点, 对于炭材料直接作为催化剂的研究主要集中在新结构炭材料的制备技术、活性位点的识别、催化反应的筛选等方面.面对以炭材料为催化剂载体的研究, 主要是通过掺杂、创造缺陷等策略来调控材料的电子结构, 通过低维化和纳米化技术, 提高炭材料的表面积、孔容积等, 以强化金属、氧化物、硫化物、多酸等活性相与炭载体的相互作用及多组份协同催化作用.尽管已经取得了系列研究成果, 但是在一些基础科学问题和应用的瓶颈难题上仍需深入探索, 这直接关系到我国科学研究的原创水准.
在基础研究层面, 虽然在分子水平对炭基催化体系的活性位认识已有大量报道, 但由于炭材料本身的复杂性, 尚未有公认的结论.以电催化中炭基催化剂为例, 有研究认为炭材料的非金属杂原子(B, N, O, P等)的掺杂位点是O2, CO2还原的活性位; 后来发现痕量的过渡金属杂质对催化活性与选择性做出了主要贡献.过渡金属、氮官能团共掺杂的M-N-C类型催化剂具有类Pt催化活性, 对其应用前景已形成基本共识.然而, M-N-C催化剂的制备通常是热解多元混合物(碳源、氮源及过渡金属盐), 虽然后续的酸洗处理可除去游离金属颗粒, 但是由于催化石墨化, 石墨带包覆等因素, 导致其同时包含多种可能活性位, 比如M-Nx配位中心、金属颗粒@石墨化炭层壳核结构、N-掺杂及边缘缺陷等.虽然通过选取参比样品可间接排除一部分影响因素, 但是无法做到真正意义上的对比一致性, 对活性中心的认定仍需作大量的基础研究工作.因此, 发展具有单一活性位点的模型催化剂制备技术, 并结合原位谱学表征是未来研究的重点[107].最终期望能够建立具有高密度活性中心的炭基催化材料的精确构筑方法.
从催化剂工程的角度, 发展先进炭基催化剂制备技术, 精准调控催化剂孔隙结构(多级孔、次序孔)、孔道表面亲疏水性、形貌结构, 提高反应物到达活性位点的速率, 实现孔道表面的有效浸润, 增大反应活性位的接触面积、控制催化剂的精准落位, 这一系列措施有助于提升催化反应效率.例如近年来碳基O2/CO2还原催化剂虽然取得了系列成果, 但是由于反应物扩散限制, 接触到的有效活性位密度低, 催化电流密度远没有达到工业水平.通过创新催化剂结构及电极构型(如气体扩散电极), 提高催化效率的研究需要引起重视.此外, 炭基催化材料的一大难点是相关缺陷、官能团控制与分析困难, 可控制备手段缺失.炭基催化剂/载体材料的表面化学与孔道表面的缺陷位类型、分布与浓度等直接相关.无论拓扑缺陷还是掺杂缺陷的引入都会改变相邻碳原子的电荷分布, 进而直接影响其催化活性.事实上, 缺陷位的可控引入及定量分析一直是炭催化材料研究的重要课题[108].建议发展自下而上的溶液合成化学, 通过分子自组装和后续炭化过程控制获得孔道贯通、空间结构和表面化学可精准调控的炭材料.探索炭基催化材料的规模化制备技术, 如3D打印技术[90]、整体式结构催化剂一步制备技术[109, 110]等.另外, 考虑到失活的炭载催化剂通过简单焙烧, 就可将所担载的贵金属充分回收的特点, 在当今高度重视生态环境, 控制固体废弃物排放要求下, 发展以炭为载体的负载型催化剂具有重要意义.
从催化反应工程的角度, 结合炭的结构优势, 应当重视发展吸附-催化一体化以及催化-分离一体化技术.实际催化过程需要系统考虑反应物的扩散、多相反应界面的有效接触、催化剂的分离回收、供热与取热、操作的便捷性与规模化技术等.炭材料通常具有大比表面积、高孔隙的特点, 对反应物有吸附和富集能力, 可强化扩散, 推进反应的进程.纳米炭材料多以粉体的形式呈现, 直接用作催化剂或催化剂载体时难于回收.因此, 构筑可磁控分离的磁性炭质胶体催化体系, 既可解决催化剂的难回收问题, 也可通过发挥纳米材料的“准均相催化”优势, 提高反应效率, 实现催化-分离一体化[111].绝大多数实际应用场合, 需要使用成型的催化剂, 考虑到粉体炭本身有弹性, 难以成型这一问题, 理想途径是直接制备结构规整的高强度整体式炭催化材料, 或者是以蜂窝陶瓷、堇青石为支撑体, 制备炭涂层的构件式结构催化剂, 兼顾多相界面有效接触、降低压力降, 消除常规床层的不均匀性, 改善反应物及产物的物质传递, 形成多过程偶合的催化一体化集成技术, 升级催化过程、提高催化效率, 达到清洁、高效、节能的化工过程发展目标.
2019,
Vol. 40 Issue (s1): S169-S177 
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