纳米催化是催化科学的一个重要分支。纳米碳催化是21世纪发展起来的一个新的学科，有别于传统的金属或者金属氧化物催化，其反应基础和应用前景都有待于进一步探讨。本书从纳米碳材料的结构、性质及其调控入手，首先介绍纳米碳在脱氢、选择氧化等方面的应用和基础研究，然后阐述纳米碳材料在液相反应、电化学及环境化学的催化性质，最后比较了纳米碳催化与金属氧化物催化的差异并初步探索了纳米碳催化的工业化前景和存在的问题。
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《纳米科学与技术》丛书序
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 纳米碳材料 1
1.2 催化与纳米催化 3
1.3 纳米碳催化 6
参考文献 7
第2章 纳米碳材料基础及结构表征 9
2.1 纳米碳材料基础 9
2.1.1 纳米碳的存在形式 9
2.1.2 纳米碳的结构 10
2.1.3 纳米碳的性质 16
2.2 纳米碳材料结构的表征方法 19
2.2.1 X射线衍射 19
2.2.2 拉曼光谱分析 20
2.2.3 电子显微术 22
2.2.4 扫描隧道显微镜 28
2.2.5 原子力显微镜 29
参考文献 31
第3章 纳米碳材料的表面化学与表征 35
3.1 纳米碳材料的表面化学性质 35
3.1.1 纳米碳材料的表面缺陷 35
3.1.2 纳米碳材料的表面功能基团 37
3.1.3 纳米碳材料的表面掺杂原子 38
3.2 纳米碳材料的表面酸碱性 39
3.2.1 纳米碳材料的表面酸性 10
3.2.2 纳米碳材料的表面碱性 40
3.3 纳米碳材料表面含氧基团和氮物种的定性定量研究 12
3.3.1 X射线光电子能谱技术 42
3.3.2 红外光谱技术 45
3.3.3 程序升温脱附技术 19
3.3.4 Boehm滴定技术 51
3.3.5 电化学方法 53
3.4 研究纳米碳材料表面基团的新方法 54
3.4.1 X射线吸收谱 55
3.4.2 化学滴定法 60
3.5 结论 62
参考文献 62
第4章 纳米碳材料的修饰改性 65
4.1 缺陷位修饰改性 65
4.1.1 拓扑缺陷位 65
4.1.2 结构缺陷位 66
4.1.3 缺陷位的催化作用 67
4.2 氧修饰改性 67
4.2.1 氧修饰改性的方法 67
4.2.2 氧修饰的催化作用 71
4.3 氮修饰改性 71
4.3.1 富氮碳材料及其合成方法 71
4.3.2 富氮碳材料在催化中的应用 72
4.3.3 氮掺杂碳材料 75
4.3.4 氮掺杂碳材料的合成 76
4.3.5 氮掺杂在催化中的作用 79
4.4 硼修饰改性 82
4.4.1 硼掺杂碳材料及其合成方法 82
4.4.2 硼掺杂在催化中的作用 85
4.5 磷修饰改性 86
4.6 碗修饰改性 89
4.7 小结 92
参考文献 92
第5章 纳米碳催化的理论计算 101
5.1 纳米碳材料π电子性质 101
5.2纳米碳材料缺陷位的化学性质 105
5.3 纳米碳材料上氧官能团的化学活性 106
5.4 纳米碳材料催化剂上碳氢化合物氧化脱氢反应的理论计算 1 12
5.4.1 活性位的确定和乙烷的物理吸附 1 12
5.4.2 氧化脱氢的反应路径 114
5.5 杂原子的作用 119
5.5.1 在氧化脱氢反应中杂原子（氮、硼）对于乙烯选择性的调控 119
5.5.2 硼掺杂碳纳米管作为甲烷部分氧化反应催化剂 122
5.5.3 掺杂改性的碳纳米管在燃料电池氧还原反应中的催化性质和作用 127
5.5.4 杂原子在氧化脱氢反应中的作用 130
5.6 总结和展望 132
参考文献 134
第6章 纳米碳材料催化脱氢反应 138
6.1 脱氢反应 138
6.2 纳米碳材料催化氧化脱氢反应 1/10
6.2.1 纳米碳材料催化烷基芳烃氧化脱氢反应 141
6.2.2 纳米碳材料催化低碳链烷烃氧化脱氢反应 119
6.2.3 纳米碳材料催化的其他类型氧化脱氢反应 155
6.2.4 纳米碳材料催化烷烃氧化脱氢反应过程和机理 156
6.3 纳米碳材料催化直接脱氢反应 159
6.3.1 纳米碳材料催化直接脱氢反应类型 159
6.3.2 纳米碳材料催化直接脱氢反应的活性位点和催化反应过程 1 63
6.4 小结 165
参考文献 166
第7章 纳米碳材料催化选择氧化反应 169
7.1 碳纳米管催化丙烯醛选择氧化制丙烯酸 1 69
7.1.1 碳纳米管催化剂在丙烯醛选择氧化反应中的性能 170
7.1.2 碳纳米管表面官能团的性质 171
7.1.3 氧化处理对碳纳米管催化活性的影响 172
7.1.4 氧化CNT催化选择氧化丙烯醛的活性位探讨 174
7.1.5 碳纳米管催化氧化丙烯醛的机理 177
7.2 掺氮碳纳米管催化丙烯醇选择氧化 177
7.2.1 掺氮碳纳米管在丙烯醇选择氧化反应中的优异性能 178
7.2.2 不同掺氮量对催化丙烯醇选择氧化反应的影响 1 79
7.2.3 掺氮碳纳米管催化丙烯醇选择氧化机理 180
7.3 掺氮碳纳米管催化硫化氢选择氧化 180
7.3.1 掺杂氮原子对硫化氖选择氧化催化活性影响 181
7.3.2 反应温度和空速对硫化氢选择氧化催化活性影响 181
7.3.3 掺氮碳纳米管催化硫化氢选择氧化机理 183
7.11 应用前景 183
参考文献 184
第8章 纳米碳催化卤化反应 188
8.1 氯乙烯和聚氯乙烯 188
8.1.1 氯乙烯 188
8.1 1 2乙炔法和乙烯氧氯化法的比较 189
8.1.3 聚氯乙烯 190
8.1.4 汞对环境的污染 1 91
8.2 金属催化乙炔氢氯化 192
8.2.1 金属活性规律 1 92
8.2.2 无汞催化剂的研发 195
8.3 非金属无汞催化 201
8.3.1 氮掺杂碳纳米管的制备 201
8.3.2 氮掺杂碳纳米管表征与分析 203
8.3.3 碳催化剂乙炔氢氯化的活性 208
8.3.4 密度泛函理论研究 214
8.4 结语 219
参考文献 219
第9章 纳米碳材料液相催化作用 224
9.1 纳米碳材料液相催化反应概述 224
9.2 纳米碳材料催化烃类的液相选择氧化 228
9.2.1 碳材料催化环己烷的液相选择氧化 228
9.2.2 碳材料催化芳香烃的液相选择氧化 234
9.2.3 烃类液相催化机理的原位光谱研究 240
9.3 纳米碳材料催化醇的液相选择氧化 213
9.3.1 碳纳米壳催化醇液相选择氧化 244
9.3.2 碳纳米管催化醇液相选择氧化 215
9.3.3 氧化石墨催化醇液相选择氧化 247
9.3.4 石墨烯催化醇液相选择氧化 219
9.4 纳米碳材料催化湿卒气氧化反应 250
9.5 纳米碳材料催化H2 02的液相氧化和羟基化 253
9.5.1 纳米碳材料催化H2 02的液相氧化 253
9.5.2 纳米碳材料液相羟基化 254
参考文献 257
第10章 纳米碳电催化作用 265
10.1 燃料电池及纳米碳电催化 265
10.1.1 氧还原电催化剂的常用评价方法 265
10.1.2 纳米孔碳基电催化剂 267
10.1.3 碳纳米管基电催化剂 271
10.1.4 石墨烯基电催化剂 273
10.2 纳米碳材料在锂一空电池巾的应用 275
10.2.1 金属窄气电池 275
10.2.2 锂空电池 276
10.3 纳米碳材料在电催化氧化处理有机污水中的应用 277
10.3.1 电催化氧化处理有机污水的基本原理 277
10.3.2 纳米碳材料在阴极间接氧化中的应用 278
10.4 问题与展望 280
参考文献 281
第11章 纳米碳材料环境催化作用 285
11.1 概述 285
11.2 纳米孔碳材料催化氧化NO 285
11.2.1 纳米孔碳催化氧化NO机理 286
11.2.2 纳米孔碳催化氧化NO影响因素 287
11.3 纳米孔碳材料催化氧化H2S 293
11.3.1 纳米孔碳物理／化学吸附H2S 293
11.3.2 纳米孔碳材料催化氧化H2S的机理 295
11.3.3 倦化氧化反应的活性位 297
11.3.4 纳米孔碳材料催化氧化H2S的影响因素 299
11.4 展望 303
参考文献 304
第12章 纳米金刚石与石墨烯的催化作用 308
12.1 纳米金刚石的催化作用 308
12.1.1 纳米金刚石的合成 308
12.1.2 纳米金刚石的微观结构 310
12.1.3 纳米金刚石的表面化学性质 312
12.2 纳米金刚石的表面功能化及结构调控 313
12.3 纳米金刚石的催化性能 316
12.3.1 甲烷裂解反应活性 317
12.3.2 烃类氧化脱氢反应活性 319
12.3.3 烃类直接脱氢反应活性研究 323
12.3.4 电催化 326
12.4 石墨烯简介 326
12.5 石墨烯材料的边缘结构与含氧官能团 327
12.6石墨烯材料作为催化剂 329
12.6.1 石墨烯催化 329
12.6.2 掺杂石墨烯催化 330
12.6.3 氧化石墨或氧化石墨烯催化 332
12.7 小分子模型催化剂的应用 335
12.8 石墨烯材料催化与其他碳材料催化之间的关系 337
12.9 发展方向和展望 337
参考文献 338
第13章 纳米碳催化与金属氧化物催化的比较 346
13.1 钒氧化物在氧化脱氢反应中的研究现状 317
13.1.1 活性位的判定和研究 347
13.1.2 反应路径和反应机理 319
13.1.3 载体的作用 353
13.1.4 反应活性指标：氧空穴形成能 355
13.2 纳米碳材料催化剂和金属氧化物催化剂的比较 356
13.2.1 活性中心的几何结构和电子结构 357
13.2.2 反应路径的比较 359
13.2.3 反应机理的比较 360
13.2.4 钒原子和碳愿子的比较 361
13.3 总结和展望 363
参考文献 364
第14章 纳米碳催化的工业应用探索 368
14.1 纳米碳材料的宏量制备 368
14.1.1 碳纳米管和纳米金刚石的宏量制备 368
14.1.2 纳米金刚石 370
14.1.3 石墨烯 371
14.2 碳纳米管的规模功能化 373
14.3 纳米碳材料作为工业催化剂的独特特点 374
14.4 纳米碳材料的工业成型研究 375
14.4.1 传统成型方法 375
14.4.2 整体式碳纳米材料催化剂 376
14.5 纳米碳催化剂在烷烃脱氢反应巾的放大应用探索 381
14.5.1 反应条件对纳米碳催化剂催化烷烃脱氢反应活性和选择性的影响 381
14.5.2 CO2和N2O作为氧化剂催化乙苯脱氢 382
14.5.3 纳米碳催化及在烷烃脱氢反应中的稳定性能测试 383
14.6 结束语 384
参考文献 385
第15章 展望 388
索引 391
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