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      我所提出氧化物氣氛誘導遷移合成高效加氫催化劑的新策略

        

        近日,我所能源研究技術平臺(DNL20)劉岳峰研究員等與山西煤炭化學研究所劉星辰副研究員、墨西拿大學Gabriele Centi教授等合作,在利用氣氛誘導調控催化劑表面結構方面取得新進展:利用具有強氧化物載體相互作用(Surface oxide-support interaction,SOSI)與傳統強金屬載體相互作用(Strong metal-support interaction,SMSI)競爭策略,定向誘導TiO2選擇性的向MnO表面自發分散,而非向過渡金屬表面遷移形成包裹結構(M@TiO2);形成的TiO2/MnO界面可以作為高效H傳輸通道,提高表面活性H物種濃度,從而促進整個加氫反應過程。與傳統的Ru/MnOx催化劑相比,Ru/Ti/Mn催化劑逆水煤氣變換(RWGS)性能提高了3.3倍;在400 C時CO的生成速率可達87.5mmolg-1h-1,并且表現出優異的CO選擇性(>99%)。

        催化劑在氣氛環境誘導下發生結構的演變,增大了催化活性位點的準確辨析難度,但同時也提供了一種納米結構調控策略,獲得與傳統合成工藝所難以實現的催化活性中心。SMSI是催化劑在氣氛環境誘導下發生結構演變的典型現象之一,多年以來被廣泛應用到催化劑的創制中。其主要是高溫H2處理后的可還原性氧化物載體(例如:TiO2、Nb2O3等)表面被部分還原后遷移至金屬表面,形成包覆結構。這種現象可以使目標產物選擇性獲得有效地調控,同時也保持了催化劑的結構穩定性;然而,這種包覆的結構同時也犧牲了暴露的活性位點,抑制了反應物分子的吸附活化,尤其是在加氫反應中表現出較差的催化活性。

        本工作中,研究團隊基于TiO2在高溫H2氣氛下的可遷移特性,利用TiO2和MnO之間的SOSI,使得TiO2可以選擇性的向MnO表面自分散,在MnO表面形成TiOx“補丁”,而非向金屬表面(如Ru)遷移。該策略在保證高活性金屬利用率的同時,自發的形成了高密度的TiOx/MnO界面,可以有效地促進活性H物種向載體表面遷移,形成表面富氫環境,促進CO2還原為CO。同時,該策略對逆水煤氣變換性能的促進不依賴于金屬種類(M=Ru、Pt、Pd),也不依賴于TiO2的引入方法和晶型;即使直接固相研磨混合Ru/TiO2和Ru/MnOx催化劑也可以實現。該研究利用原位生成氧化物—氧化物界面作為氫物種的傳輸通道,為設計高效選擇性加氫催化劑提供了新策略。 

        近年來,研究團隊在CO/CO2能源小分子的高效轉化催化劑的設計以及原位過程中微觀結構動態演變方向取得了一系列進展,包括CO2分子活化與轉化(Appl. Catal. B,2020;J. Energy Chem.,2020;Small,2021;Adv. Energy Mater.,2021;Adv. Mater.,2022;Chem Soc Rev.,2023)、CO加氫轉化(ACS Catal.,2020;ACS Catal.,2021)、納米催化劑的原子結構精確分析以及原位動態過程的理解(Nat. Commun.,2016;Angew. Chem. Int. Ed.,2020;Sci. Adv.,2022)。

        相關工作以“Generation of Oxide Surface Patches Promoting H-spillover in Ru/(TiOx)MnO Catalysts Enables CO2 Reduction to CO”為題,于近日發表在《自然—催化》(Nature Catalysis)上。該工作的第一作者是我所DNL20聯合培養博士研究生康輝。上述工作得到國家自然科學基金、遼寧省興遼英才計劃等項目的資助。(文/圖 康輝)

        文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41929-023-01040-0

        DICP科普一下∣如何理解催化反應中的“遷移”?

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