金属催化剂在化工、能源、医药、食品、环境等领域中均有重要应用,市场需求量大。研究表明,催化剂粒径大小对其催化效率影响很大,尺寸研究已由之前的块体向纳米颗粒、亚纳米、继而发展到单个原子。相比而言,金属单原子催化剂的催化效率更高、稳定性更好,易于探索催化反应机理。然而,金属单原子催化剂的合成至今仍存在诸多技术挑战,尤其是高负载量(>3.0 wt%)金属单原子催化剂的合成鲜有报道。针对上述问题,本文通过调控pH,自组装金属-单宁酸配合物,以此为前体,高温焙烧,成功合成了高负载量(7.68 wt%)金属钴单原子催化剂,并用于催化氧化半纤维素衍生物糠醛,制备高附加值糠酸甲酯和糠酸,为半纤维素生物质的高值化利用奠定了技术基础。主要研究成果如下:1.合成了金属-单宁酸配合物前体。通过调控pH,合成了一系列过渡金属-单宁酸配合物(Co-TA、Zn-TA、Mn-TA、Cu-TA、Ni-TA、Fe-TA、Zr-TA),获得每一种配合物的最适pH。2.研究了金属钴单原子催化剂的合成与结构表征。以双金属钴/锌-单宁酸配合物为前体,通过N杂原子点缀,高温碳化,合成氮掺杂碳负载钴单原子催化剂(Co SAs-N@C)。采用XRD、ICP、XPS、HR-TEM、HAADF-STEM 等方法,表征了 Co SAs-N@C 的结构,金属钴负载量达7.68 wt%。3.探讨了 Co SAs-N@C催化剂氧化半纤维素衍生物糠醛,制备糠酸甲酯和糠酸。利用Co SAs-N@C一步法氧化酯化糠醛和甲醇,制备糠酸甲酯,在60℃、1 bar O2下反应3 h,产品得率93.2%,氧化酯化反应过程中无需添加任何助剂;Co SAs-N@C催化氧化糠醛,制备糠酸。在添加Na2CO3、80℃、1 barO2下反应2h,产品得率93.6%。