中國科大取得基於單原子催化劑研究金屬-載體相互作用新進展

2020-12-14 中國科大新聞網

近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室和化學與材料科學學院曾傑教授課題組、南開大學胡振芃教授和中科院上海應用物理研究所司銳教授合作，基於單原子催化劑，從電子最高佔據態角度定量研究了金屬-載體相互作用。該成果以「The Highest Occupied State of Rh Single Atoms Controls the Catalytic Properties towards Ammonia Borane Hydrolysis」 為題發表在《德國應用化學》雜誌上（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 4712-4718）。論文的共同第一作者是博士生王梁炳和碩士生李洪良。

 

氧化釩負載銠單原子催化劑的結構表徵及其催化性能

 

負載型金屬納米催化劑在產氫反應中有著優異的催化性能，影響其性能的關鍵因素甚至是決定性因素便是襯底的選擇。因此，深入研究催化劑中金屬-載體相互作用與其催化性能之間的關係至關重要。然而，由於缺乏在原子尺度上對多相催化產氫反應過程的詳盡理解以及對活性位點的明確標識，定量理解金屬-載體相互作用的本質仍是一項巨大的挑戰。基於單原子催化劑研究金屬-載體相互作用能夠排除金屬顆粒在金屬-載體界面上尺寸、形貌和取向的影響，因此，單原子催化劑被視為理想的研究平臺。此外，氧化物相變材料被認為是研究該相互作用理想的載體材料，因為它可以在調控能帶結構的同時，保持單原子或活性位點的空間分布不改變。

 

基於此，研究人員將Rh單原子負載在相變材料VO2納米棒上，構築出Rh1/VO2單原子催化劑。在氨硼烷產氫反應中，載體VO2納米棒的金屬-絕緣體相變引起了催化反應活化能的改變。通過實驗和理論分析，研究人員發現載體的金屬-絕緣體相變誘導了Rh單原子中電子最高佔據態的能量變化，其能量變化值大致相當於催化反應活化能的改變量。因此，研究人員認為Rh1/VO2的催化性能與Rh單原子的電子最高佔據態直接相關，Rh單原子的電子最高佔據態取決於載體的能帶結構。基於此機理，研究人員還通過調控單原子中電子最高佔據態，進一步設計出高效非貴金屬單原子催化劑。該項研究從最高佔據態角度為定量研究金屬-載體相互作用給出了簡潔、清晰的圖像，為進一步設計構築高效、廉價的產氫催化劑提供了理論基礎。

 

該項研究得到了科技部青年973計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

 

附論文連結：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201701089/full 

（微尺度物質科學國家實驗室、化學與材料科學學院、科研部） 

相關焦點

  • 中國科大在催化劑金屬-載體強相互作用研究中取得進展
    負載型金屬催化劑對於現代工業至關重要。大量的實驗和理論研究表明，負載型金屬催化劑中的載體不僅扮演著分散和穩定金屬納米顆粒的作用，還會與金屬顆粒產生強相互作用，進而影響催化劑的活性、選擇性及穩定性。
  • 研究發現單原子催化劑中經典金屬-載體強相互作用
    近日，中國科學院大連化學物理研究所催化與新材料研究室研究員喬波濤和中科院院士張濤團隊在單原子金屬-載體強相互作用研究方面取得新進展，首次發現Pt單原子能夠與TiO2載體間發生經典金屬-載體強相互作用（Strong Metal-Support Interaction, SMSI），但其所需發生溫度較Pt NPs更高，且Pt單原子失去
  • 發現單原子催化劑中經典金屬—載體強相互作用—新聞—科學網
    中科院大連化物所
  • 中科院大連化物所金屬載體強相互作用研究取得新進展—新聞—科學網
    ，在金屬載體強相互作用研究方面取得新進展：首次發現鉑族金屬（Pt、Pd）與羥基磷灰石之間的金屬載體強相互作用。研究成果在Chemical Science上發表。   1978年Tauster等發現二氧化鈦等可還原性載體負載的鉑族金屬在高溫還原後會失去對小分子（CO，H2）的吸附性能，並將該現象命名為金屬載體強相互作用（Strong Metal-Support Interaction, SMSI）。
  • 金屬-載體強相互作用研究取得新進展
    近日，中科院大連化物所傅強研究員和包信和院士研究團隊成功地將金屬-載體強相互作用（SMSI
  • 中科院大連化物所金屬載體強相互作用研究獲進展
    ，在金屬載體強相互作用研究方面取得新進展：首次發現金納米顆粒與二氧化鈦之間的金屬載體強相互作用並闡釋了其形成原因。研究成果在美國科學進展Science Advances上發表。   早在七十年代末研究人員發現二氧化鈦等可還原性載體負載的Pt族金屬在高溫還原後會失去對小分子（CO，H2）的吸附性能，並將該現象命名為金屬載體強相互作用（Strong Metal-Support Interaction, SMSI）。
  • 大連化物所等金屬-載體界面結構研究取得新進展
    近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室催化反應化學研究組副研究員周燕、研究員申文杰等與德國卡爾斯魯厄理工學院教授汪躍民、丹麥託普索公司博士Jens Sehested等合作，在銅催化劑活性位原子結構及反應機理研究方面取得新進展。
  • 科學家發現金屬-載體強相互作用的粒徑效應
    近日，中國科學院大連化學物理研究所催化與新材料研究室研究員喬波濤團隊與催化基礎國家重點實驗室研究員李杲團隊合作，在金屬—載體強相互作用方面取得進展
  • 廣東工業大學敖志敏課題組單原子催化劑催化氧化甲醛的密度泛函理論研究
    DOI: 10.1016/S1872-2067(20)63571-9近日，《催化學報》在線發表了廣東工業大學敖志敏教授團隊在催化氧化領域的最新研究成果。該工作報導了基於密度泛函理論研究單原子催化劑Ti/Ti3C2O2催化氧化甲醛。論文第一作者為：博士生周君慧，論文通訊作者為：敖志敏教授。
  • 耶魯大學Jae-Hong Kim團隊ES&TE:單原子催化劑的環境應用與展望
    相對於納米材料，具有高比表面能的SAC可通過與載體材料（例如，金屬氧化物，石墨烯，金屬碳化物，氮化碳等）之間的強相互作用實現原子分散，並有效防止金屬原子的團聚。同時由於單個金屬原子與載體材料之間的這種強相互作用，會於界面處發生動態電荷轉移，從而影響SAC的催化反應行為。
  • 科學家發現金屬與惰性非氧化物載體之間的強相互作用
    近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員傅強與中科院院士包信和團隊，在金屬與載體界面催化研究方面取得新進展。研究發現過渡金屬催化劑與惰性的六方氮化硼（h-BN）載體之間存在經典的金屬-載體強相互作用（Strong Metal-Support Interaction, SMSI）。
  • 大化所丁雲傑課題組:構建優於均相催化的多相Rh單原子催化劑!
    多相單金屬活性位點催化劑（單原子催化劑），憑藉其近100%的金屬原子效率和明確簡單的分子模型，成為了當代催化研究的熱點。同時，該催化劑由於結合了均相催化劑單一活性位和多相催化劑易分離的優勢，被認為是研究均相催化和多相催化的橋梁。此外，其簡單明確的分子結構為理論計算研究分子反應機理提供了很大的便利和優勢。
  • 一種「異常穩定」的單原子催化劑
    東京工業大學（Tokyo Tech）的科學家研究發現，困在C12A7晶體中的單個鉑原子可作為穩定和有效的催化劑催化硝基芳烴的氫化，而硝基芳烴是生產多種精細化學品的重要過程。他們的方法可能成為開發適用於廣泛工業應用的其他單原子催化劑的通用方法。
  • 負載Pd原子的碳摻雜氮化硼納米管單原子催化劑對Heck反應的計算研究
    ：單原子催化劑(SACs)是近年來催化研究的新領域。與金屬團簇催化劑相比，較低配位數、量子尺寸效應明顯、金屬−載體相互作用使得SACS具有更高的活性和選擇性。當金屬團簇數目減少時，金屬原子的表面能顯著增加，導致在SACS的製備和反應過程中難以保持其穩定性。解決這一問題的一個有效方法是在載體上設計基團和配位中心來錨定金屬原子，利用金屬原子與配位中心之間的強相互作用來防止這種金屬原子的遷移和聚集。
  • .: 單原子催化劑促進信號放大策略用於生物傳感
    由於其獨特的物理化學性質，功能性納米材料信號放大策略在生物傳感領域取得了重大突破。但靈敏度和選擇性有待進一步提高。含有原子分散金屬活性中心的單原子催化劑(SACs)在各種催化反應的活性和選擇性方面具有獨特的優勢。因此，在可調節的金屬載體相互作用、配位環境和活性位點的幾何/電子結構的幫助下，SAC輔助信號放大策略在生物傳感器中具有廣闊的前景，表現出令人滿意的靈敏度和選擇性。
  • 中國科大等在酸性電解水催化劑開發研究中取得進展
    近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心周仕明研究小組與南開大學胡振芃課題組合作，在氫能源研究領域取得新進展，他們通過構築複合釕基氧化物開發出酸性條件下高效穩定的電解水催化劑，相關成果以Quadruple perovskite ruthenate as a highly efficient catalyst for acidic water
  • 中國科大在分子的量子糾纏研究中取得進展
    中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰領導的中科院微觀磁共振重點實驗室與美國國家標準技術研究所合作，在離子阱體系實現帶電原子和帶電分子的聯合調控，首次製備了單原子和單分子之間的量子糾纏態，並且通過定量表徵手段，確定產生的量子糾纏超過臨界閾值。
  • 如何定義單原子催化劑?
    註：以上圖片來源於劉景月綜述，不代表本平臺觀點 Single-atom catalyst「Single atom catalyst」是指孤立的單個原子分散在載體上，每個單獨的原子之間沒有任何形式的相互作用。活性位點一般由單個金屬原子及載體表面或者功能物種上鄰近的其他原子組成。
  • 單原子催化劑、雙原子鐵催化劑、FeN4位點、中空層狀雙氫氧化物...
    01 單原子催化劑的結構調控和支撐偶聯效應 單原子催化劑（SACs）集成了均相和非均相催化劑的優點，並在近些年獲得了廣泛的關注。
  • 大化所傅強JACS:金屬與惰性氮化硼載體之間的金屬-載體強相互作用
    -載體強相互作用（Strong Metal-Support Interaction, SMSI）是多相催化研究中的一個經典概念，這一現象首次在惰性六方氮化硼（h-BN）負載的金屬催化劑中被發現。1其典型的特徵是，在特定氣氛下，載體會遷移並逐步包裹金屬催化劑，形成的包裹層修飾了活性金屬表面的吸附性質和電子狀態，進而改變了催化劑的反應性能。2大量的實驗事實證明這種包裹過程是可逆的，並且能發生SMSI效應的「活性」載體常常是可變價的過渡金屬氧化物（如TiO2，CeO2，Nb2O5等）。很多時候，由於表面活性位被包裹層覆蓋，處於SMSI狀態下的催化劑反而是不利於催化反應進行的。