2020年10月，国际顶级期刊《化学通讯》(Chemical Communication, 2020, DOI: 10.1039/D0CC06177H)在线发表了浙江工业大学在炭基非金属催化剂研发领域的最新研究成果。该工作系统地研究了石墨烯、石墨、高比表面积石墨、炭黑、碳纳米管及活性炭在内的6类14种sp2构型炭材料及纳米金刚石衍生的7种sp3构型，综合分析比较了上述21种材料的比表面积、表面官能团含量、杂原子掺杂含量、表面缺陷位等多重因素和活性之间的关系，最终发现无论是sp3炭的金刚石体系还是sp2炭的石墨炭体系，在较宽的范围内，其乙炔氢氯化催化性能和炭催化剂表面的sp2：sp3炭的比例都符合火山型曲线，活性最高的点均在黄金分割点附近。该工作为炭基非金属催化剂的表面结构与其催化性能的关联提供了一种量化指标，为炭基非金属催化剂的可控合成指明了方向。
炭材料作为一种极富潜力的新材料，具有孔结构发达、耐腐蚀性好、结构可调等优势，在能源、传统催化、吸附等诸多领域中展现了优异的催化性能和诱人的应用前景。特别是在很多涉及苛刻条件如强酸、强碱体系的工业催化过程中起到不可替代的作用。近年来，除了作为载体之外，炭材料自身作为催化剂，在烷烃脱氢、电化学及乙炔氢氯化反应等诸多体系中也被发现具有优异的性能，炭基非金属催化已成为多相催化领域的一个研究热点。
聚氯乙烯（PVC）广泛用于建材、电器、日常用具等各个领域，全球使用量在高分子材料中位居第二。基于我国“富煤、贫油、少气”的能源现状，电石法聚氯乙烯工艺在我国占主导地位，是我国的支柱产业之一。自2014年起，中科院大连化物所、南开大学、清华大学、石河子大学、浙江工业大学等多个课题组对炭基非金属乙炔氢氯化催化剂做了大量探索性的工作。从碳材料的设计合成、杂原子掺杂到表面本征缺陷，研究者对炭基非金属催化剂的认识逐步深入，也带动了炭基非金属催化剂的迅速发展，目前多个体系的炭基非金属催化剂性能已经可以和金属催化剂相媲美。但是，目前对其反应机理及活性位的认识还远远不够，并且其综合性能如单位体积的产能和催化剂的寿命等还不足以支撑工业化应用。由于炭基材料种类繁多，活性物种指认困难。现有文献报道通常聚焦于单一构型催化剂，而对同一反应的不同结构的炭基非金属催化剂，其活性中心的归属存在较大争议，到目前为止尚没有明确的令人信服的对活性位结构及构效关系的认识。因此，针对众多不同来源及结构的炭基非金属催化剂，如果能找到一个统一的指标体系来理解其构效关系，对于设计高性能的炭基非金属催化剂极为重要。该工作系统的研究了石墨烯、石墨、高比表面积石墨、炭黑、碳纳米管及活性炭在内的6类14种sp2构型炭材料及纳米金刚石衍生的7种sp3构型，综合分析比较了上述21种材料的比表面积、表面官能团含量、杂原子掺杂含量、表面缺陷位等可能导致活性变化的原因，最终发现由sp2杂化碳为主体的炭基催化剂的催化性能与其表面引入的sp3杂化结构碳原子的含量间呈现出火山型曲线的关系。该工作还以金刚石为模型体系，构建了不同sp2和sp3杂化的表面结构，通过DFT理论计算发现反应物的吸附能力与反应能垒随着表面sp2 %含量的增加呈现火山型曲线的关系，进一步从理论上验证了上述实验结论。该火山型曲线的发现为炭基非金属催化领域的基础研究及工业化催化剂的开发指明了方向，可大力推动炭基非金属催化剂的研究进程。文章的实验部分由邱一洋博士完成，理论计算部分由樊冬博士完成，李瑛教授和胡晓君教授为共同通讯联系人。▲图1 石墨基sp2及金刚石基sp3衍生炭催化剂的乙炔氢氯化反应性能与表面杂化结构之间的火山型关系图。
李瑛教授课题组在炭基非金属催化剂的研究方面已经发表了系列工作，基于该课题组对炭基材料（催化剂载体和炭基非金属催化剂）的系统研究，所开发的炭基催化剂载体已经实现工业化生产，基于新型炭基催化剂载体所开发的单原子超稳低汞乙炔氢氯化催化剂，已经在贵州重力科技环保有限公司实现规模化生产和推广。邱一洋博士，在读博士研究生，2016年7月毕业于河南城建学院化学工程与工艺专业，获得工学学士学位。2016年9月-至今，于浙江工业大学化工工程与技术硕博连读，指导老师为刘化章与李瑛教授。主要从事炭基催化剂的可控设计合成及其在乙炔氢氯化反应中构效关系研究，在国际知名期刊上发表SCI论文6篇，申请专利3项。
樊冬，2014年毕业于南京工业大学获高分子材料与科学学士学位，于2019年在浙江工业大学获得材料化工博士学位。博士研究期间指导老师为胡晓君教授和鲁少华博士。在读期间主要运用第一原理方法研究碳基低维材料的结构和物理性质，以及基于新型金刚石表面结构的电子器件设计。于2019年加入了法国国家科学研究中心查尔斯·格哈特研究所的Guillaume Maurin教授的团队，担任博士后研究员。当前的研究方向包括表面化学，气体吸附和分离，新型MOF结构的理论设计以及多尺度模拟。目前已发表sci论文15篇。
李瑛，浙江工业大学化工学院，教授。2001年获浙江工业大学硕士学位，2005年获中国科学院大连化学物理研究所物理化学博士学位。2005.08-2007.08 在荷兰 Eindhoven University of Technology做博士后及访问学者。2007.10-至今，浙江工业大学参加工作。主持国家级及重大横向课题多项，发表SCI论文100余篇，H因子为24。申请专利20余项，其中多项专利成果已经成功实现产业化转化。研究方向为炭基材料的调控合成及其在吸附及催化领域的应用，主要包括煤基乙炔制氯乙烯单体催化剂技术，炭载金属液相加氢催化剂的设计合成和低温钌炭氨合成催化剂的设计合成等方面开展相关研究。
胡晓君，浙江工业大学材料科学与工程学院，教授，1999年7月获得沈阳农业大学硕士学位，2004年4月获得上海交通大学博士学位。2004.5-至今，浙江工业大学参加工作。主持国家自然科学基金联合重点项目、国家国际科技合作项目、国家重点研发计划项目（第二单位）和浙江省重点研发计划等科研项目13项。在APL, Carbon, JMCC, JAP, ASS等国内外期刊发表论文80余篇；以第一发明人授权发明专利22项，受理发明专利13项，其中国际专利1项。入选浙江省创新领军人才、浙江省151 人才工程第二层次和浙江省中青年学科带头人。担任《Functional Diamond》、《超硬材料工程》和《金刚石与磨料模具工程》编委；担任浙江省青年科技工作者协会副会长、浙江省女科技工作者协会理事和浙江省材料研究学会理事；研究方向为金刚石基宽禁带半导体材料、纳米碳材料、碳基二维材料和计算材料学。
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