Carbon-Supported Nitrogen-Doped Graphene-Wrapped Copper Nanoparticles: An Effective Catalyst for the Oxidative Carbonylation of Methanol

催化作用 甲醇 石墨烯 纳米颗粒 无机化学 材料科学 化学工程 碳纤维 化学 复合数 纳米技术 有机化学 冶金 复合材料 工程类
作者
Ruina Shi,Jinxian Zhao,Yanhong Quan,Yongli Pei,Xuhui Wang,Zhong Li,Jun Ren
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:60 (7): 2944-2953 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.0c06029
摘要

Wrapping metal nanoparticles (NPs) in graphene shells has emerged as a promising strategy to design highly active and stable catalysts. A facile direct co-pyrolysis approach was proposed to prepare a carbon-supported nitrogen-doped graphene-coated copper NP composite (Cu@NG/C) to catalyze the oxidative carbonylation of methanol to dimethyl carbonate (DMC) effectively. Compared with a carbon-supported copper catalyst (Cu/C) without graphene coating, the optimized Cu@NG/C-700 catalyst has a grain size of Cu NPs of around 15.2 nm with an NG layer thickness of ∼2.0 nm and exhibits high catalytic activity (DMC space time yield, 1881 mg·g–1·h–1) and excellent stability after five reaction cycles. The NG shell allows the diffusion of the reactant and product molecules while acting as a layer of protection to prevent leaching and agglomeration of Cu NPs. In addition, the introduction of nitrogen strongly increased the charge transfer carrier density and therefore promoted the absorption of CO on the active copper sites. The confinement effect of the NG wrapping layer markedly enhanced the catalytic performance of the copper cores in methanol oxidative carbonylation, which may have great potential in fabricating advanced carbon-supported metal catalysts.

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