科學家發現金屬-載體強相互作用的粒徑效應

2020-11-27 今日科學

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，在Au/TiO2體系中發現了金屬—載體強相互作用的粒徑效應，並通過建立熱力學平衡模型，闡釋了這一效應產生的原因。

金屬—載體強相互作用（SMSI）是多相催化中的一個重要概念，對負載金屬催化劑的穩定性和活性均有重要影響。過去幾十年間，鉑族金屬與可還原性載體之間的SMSI被廣泛研究，而Au因其本身較低的功函數和表面能，被認為不能與載體形成強相互作用。然而最近幾年，關於Au與載體強相互作用的研究取得了一系列重要進展：繼2012年牟中原研究組發現了Au與ZnO納米棒間存在氧化氣氛誘導的OMSI後，喬波濤與大連化物所研究員王軍虎合作，相繼發現並報導了Au與非氧化物載體羥基磷灰石之間由氧化氣氛誘導的OMSI，以及Au與TiO2之間的經典SMSI，並據此開發了兼具高活性與高穩定性的Au催化劑。這一系列進展改變了人們對於SMSI的認知，也引發了強相互作用機制的思考。作為在金屬—載體界面上發生的動態過程，SMSI與金屬表面特性密切相關，而金屬表面特性通常受金屬納米顆粒（NPs）尺寸的影響，因此SMSI的發生可能存在粒徑效應。

為驗證這一猜想，研究團隊可控合成了不同粒徑的Au/TiO2催化劑，研究了其SMSI現象。該團隊發現較大尺寸的Au/TiO2（~9nm及13nm）更易發生SMSI，在400°C下還原即能實現載體對Au NPs的完全包覆；而對較小尺寸的Au/TiO2（~7nm及3nm），完全發生SMSI的還原溫度分別為500°C和600°C。此外，他們還通過建立熱力學平衡模型對這一現象進行了解釋和描述：在SMSI發生的溫度下，較大的NPs因具有更高的表面能而導致這一粒徑效應。利用這一粒徑效應，該團隊通過選擇性包覆粒徑分布不均勻的催化劑中較大的納米顆粒，顯著提高了Au/TiO2的加氫選擇性。該工作首次報導了SMSI中的粒徑效應，有助於對SMSI現象及其形成機理的理解，並且為催化劑性能調控提供了新途徑。

該研究成果發表於《自然-通訊》（Nature Communication）上。上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項（B類）「能源化學轉化的本質與調控」、遼寧省興遼英才計劃、中國博士後科學基金等項目的支持。（來源：中國科學院大連化學物理研究所）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19484-4

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