[发明专利]氧化石墨烯和氧化石墨催化剂及系统

说明书

交叉引用

本申请要求提交于2010年5月28日的美国临时专利申请系列号61/349,378和提交于2011年2月8日的美国临时专利申请系列号61/440,574的优先权，所述临时申请通过引用整体并入本文。

关于联邦资助研究的声明

本发明的至少一部分是在美国政府的支持下利用来自国家科学基金会的基金DMR-0907324开发的。

发明背景

催化剂是一种促进化学反应但通常在反应中不消耗的物质。在动力学上，催化剂通过降低活化能垒来促进化学反应。

非均相催化剂通常是一种作用于液体或气体反应混合物中的底物的固体。已知非均相催化剂表面上的反应的不同机理，这些机理取决于液体到固体或气体到固体的吸附如何发生(例如，Langmuir-Hinshelwood、Eley-Rideal和Mars-van Krevelen)。

供各种类型的反应使用的催化剂通常包含一种或多种作为催化活性材料的过渡金属。

发明内容

在本发明的一个方面中，提供了碳催化剂。在一个实施方案中，非过渡金属催化剂包含具有催化活性的氧化石墨烯或具有催化活性的氧化石墨，该催化剂具有小于约1ppm的过渡金属含量。

在另一个实施方案中，催化剂包含具有催化活性的氧化石墨烯或具有催化活性的氧化石墨，该具有催化活性的氧化石墨烯或具有催化活性的氧化石墨具有至少一种选自由以下所组成的群组的表面基团部分：烷基、芳基、烯基、炔基、羟基、环氧化物基、过氧化物基、过氧酸基、醛基、酮基、醚基、羧酸或羧酸酯基、过氧化物或氢过氧化物基、内酯基、硫内酯、内酰胺、硫代内酰胺、醌基、酸酐基、酯基、碳酸酯基、缩醛基、半缩醛基、缩酮基、半缩酮基、缩醛胺、半缩醛胺、氨基甲酸酯基、异氰酸酯基、异硫氰酸酯基、氰胺、肼、酰肼、碳二亚胺、肟、肟醚、N-杂环、N-氧化物、羟胺、肼、缩氨基脲、缩氨基硫脲、脲、异脲、硫脲、异硫脲、烯胺、烯醇醚、脂肪族基、芳香族基、酚基、硫醇、硫醚、硫酯、二硫酯、二硫醚、亚砜、砜、磺内酯、亚磺酸、次磺酸、次磺酸酯、磺酸、亚硫酸酯基、硫酸酯基、磺酸酯基、磺酰胺、磺酰卤、硫氰酸酯基、硫醇、硫醛、S-杂环、甲硅烷基、三甲基甲硅烷基、膦、磷酸酯基、磷酸酰胺、硫代磷酸酯基、硫代磷酸酰胺、膦酸酯基、次磷酸酯基、亚磷酸酯基、磷酸酯、磷酸二酯、氧化膦、胺、亚胺、酰胺、脂肪族酰胺、芳香族酰胺、卤素、氯、碘、氟、溴、酰卤、酰氟、酰氯、酰溴、酰碘、酰腈、酰基叠氮、烯酮、α-β不饱和酯、α-β不饱和酮、α-β不饱和醛、酸酐、叠氮化物、重氮基、重氮化物、硝酸酯基、硝酸酯、亚硝基、腈、亚硝酸酯基、原酸酯基、原碳酸酯基、O-杂环、硼烷、硼酸和硼酸酯。所述至少一种表面基团部分具有小于或等于约1.0个单层(ML)的表面覆盖度。

在另一个实施方案中，催化剂包含具有催化活性的氧化石墨烯或氧化石墨，所述催化剂具有含碳表面，在所述含碳表面上具有含氧材料的岛，所述岛具有小于或等于约1.0个单层(ML)的表面覆盖度。

在另一个实施方案中，含碳材料包含扩展的碳原子层；以及化学吸附或物理吸附到该扩展的碳原子层表面上的一层具有催化活性的含碳材料。