中國科大在非均相催化劑均相化方面取得重大進(jìn)展
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院吳長征教授實(shí)驗(yàn)課題組和工程科學(xué)學(xué)院近代力學(xué)系的吳恒安教授理論計(jì)算課題組合作，將電催化活性金屬溶解于熔融態(tài)鎵中，成功實(shí)現(xiàn)了非均相催化劑表面活性位點(diǎn)的均相化，將二氧化碳還原產(chǎn)物甲酸的選擇性提高到95%以上，相關(guān)成果于3月11號在線發(fā)表在《自然?催化》雜志上 (Nature?Catalysis 2021, DOI: 10.1038/s41929-021-00576-3)。
非均相催化劑由于存在各式各樣的缺陷、臺階、轉(zhuǎn)角、晶面等，表面的活性組分往往處于不同的局域配位環(huán)境，導(dǎo)致出現(xiàn)多活性位點(diǎn)并存現(xiàn)象以及由此造成的產(chǎn)物選擇性下降。而均相催化劑由于活性中心單一，結(jié)構(gòu)簡單、明晰，在產(chǎn)物選擇性以及用作反應(yīng)機(jī)理研究模型方面具有明顯的優(yōu)勢。因此，將非均相催化劑均相化有望成為催化性能提升以及反應(yīng)機(jī)理研究的關(guān)鍵途徑。
Ga-Sn和Ga-In合金固態(tài)和液態(tài)時的原子/電子結(jié)構(gòu)以及催化性質(zhì)對比
針對這一挑戰(zhàn)，吳長征教授團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，選擇以近室溫熔融的金屬Ga作為具有二氧化碳還原電催化活性的Sn和In的基底，從一種全新的角度實(shí)現(xiàn)了Sn和In非均相催化劑的均相化。原位結(jié)構(gòu)表征和第一性原理分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)：固態(tài)時，Sn和In形成了相分離的納米團(tuán)簇，均勻嵌入在固態(tài)Ga基質(zhì)中；而液態(tài)時，Sn和In以單原子形式游離分散在熔融態(tài)Ga中。進(jìn)一步電子結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，負(fù)載在液態(tài)Ga中的活性中心相比于固態(tài)Ga具有顯著增強(qiáng)的還原性，使得二氧化碳還原產(chǎn)物甲酸的選擇性由固態(tài)時的30%左右提高到了液態(tài)時的95%以上，析氫副反應(yīng)得以明顯抑制。此外，液態(tài)合金由于具有良好的氧化還原可逆性以及表面組分的可流動性，表現(xiàn)出自修復(fù)特性，其催化穩(wěn)定性得以顯著改善。
該項(xiàng)研究工作探索了液態(tài)材料作為非均相催化劑負(fù)載基底方面的可行性，為非均相催化劑均相化提供了一種新的表界面合成思路。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院劉鴻飛特任副研究員和工程科學(xué)學(xué)院夏駿博士后是本論文共同第一作者，吳長征教授是本論文通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家杰出青年科學(xué)基金以及國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41929-021-00576-3
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