鸟嘌呤的合成为氮在纳米碳催化中的作用提供了新的见解

最近，碳基催化剂——尤其是氮掺杂的纳米碳——已经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（福建省大学）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确切作用，并探索这些催化体系的反应机制

在最近发表的一项研究中，研究团队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

这项研究于2月4日发表在《碳未来》杂志上。

福州大学的研究作者谢载来说：“这项研究为创造高效碳催化剂提供了理论指导，可以在塑料、医药和橡胶等行业推动可再生资源转化的清洁能源。”

用氮等杂原子掺杂碳材料可以改变碳的性质。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、能量存储和其他应用的先进材料

尽管在氮掺杂领域取得了长足进步，但仍有一些关键问题没有得到解答。例如，纳米碳材料的性能受到表面原子官能团的显著影响，但到目前为止，纳米碳物质表现出不可控的表面官能团，这使不同类型反应的活性位点的识别变得复杂

谢说：“这种行为阻碍了我们理解氮掺杂剂在提高催化活性和确定催化机制方面所起的内在作用。”

谢表示，为了进一步推进氮掺杂纳米碳催化领域，研究人员需要更多可控和更好表征的催化剂。这将使研究人员能够分离出特定氮物种对催化性能的影响

为了实现这一目标，福州大学的研究团队开发了一种方法，在纳米碳催化剂的生成过程中精确控制表面官能团，主要是氧和氮基团

该团队通过自组装鸟嘌呤分子（一种在鸟粪或鱼鳞中发现的化合物）获得了一组纳米碳，并将所得材料暴露在没有氧气的情况下加热。从鸟嘌呤等生物成分和鸟苷等相关核碱基的超分子自组装中获得灵感，这种合成方法提供了一种生成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，有助于形成功能性超分子组装体。鸟嘌呤广泛存在于各种生物体的生物光子结构中，表现出不同的形状和大小，包括六边形板、方形板、不规则多边形和棱镜

鸟嘌呤晶体形态的细微变化促成了在动物身上观察到的丰富多彩的光学现象，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知之甚少

尽管鸟嘌呤晶体具有显著的特性，但在化学合成方法中，尚未实现人工生产紧密模拟生物条件的规则鸟嘌呤晶体及其随后转化为功能碳材料

“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团和高氮含量，”谢说

此外，鸟嘌呤中多个氢键的存在使得能够形成具有可控类型的氮掺杂剂的二维纳米片。氮含量可以从大约5%微调到30at%，而氧含量可以保持在一致的4%

“这种独特的性质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，”谢说

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，分别作为给电子和吸电子调节剂，可以调节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氢化中的作用，”谢说。“我们相信，我们的发现为氮掺杂碳催化体系的物理化学反应机制提供了有价值的见解，并为合成高效碳催化剂提供了理论指导。”