基於不同氮化碳載體的單原子非均相催化劑

2020-12-05 科學網

 

為了實現貴金屬的有效利用和催化選擇性，基於貴金屬的單原子非均相催化劑(SACs)受到了廣泛關注並開展了大量研究。但是，在通用載體(金屬、金屬氧化物、碳等)上原子分散的金屬熱力學不穩定，容易聚集形成團簇或納米顆粒。石墨相氮化碳(GCN)具有富氮微雜環，能夠很好地錨定金屬原子，因此是製備SACs的優異載體。然而，目前氮化碳基單原子催化劑的研究主要集中在聚合態的GCN上，而其他結構的氮化碳材料，例如在獲得GCN的聚合過程中的眾多中間體，線性蜜勒胺寡聚體(LMO)，高度結晶的氮化碳，如聚三嗪醯亞胺(PTI)、聚庚嗪醯亞胺(PHI)等與單原子金屬作用的研究很少。

近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Zupeng Chen（陳祖鵬，第一作者）、Sharon Mitchell和Javier Pérez-Ramírez（共同通訊作者）等人在National Science Review發表了題為「Single-atom heterogeneous catalysts based on distinct carbon nitride scaffolds」（https://doi.org/10.1093/nsr/nwy048）的研究論文，報導了具有不同結構的氮化碳載體的單原子非均相催化劑的最新研究成果。研究團隊首先製備了不同結構的氮化碳並深入表徵了其結構與性質，然後研究了不同結構氮化碳對Pd原子的穩定作用，並通過DFT計算進行了驗證，最後考察了不同氮化碳負載Pd原子非均相催化劑對炔烴加氫的催化性能。結果顯示，Pd原子可以有效地分散在不同結構的氮化碳（LMO、GCN、PTI、PHI）載體上，載體結構的改變對金屬催化劑的平均氧化態有顯著影響。對2-甲基-3-丁炔-2-醇的加氫催化，Pd原子的活性與其氧化態成反相關，其中寡聚體結構氮化碳負載的Pd具有最高活性。本文製備了不同結構氮化碳負載的Pd單原子非均相催化劑，系統研究了氮化碳結構對催化劑分散、氧化態及催化性能的影響，為氮化碳結構與金屬單原子穩定之間「構效關係」的建立提供了新的機理。（來源：科學網）

相關焦點

  • 氮化碳基單原子催化劑的製備及應用_學術講座_上海交通大學新聞...
    氮化碳基單原子催化劑的製備及應用陳祖鵬蘇黎世聯邦理工學院，蘇黎世，瑞士Email：zupeng.chen@chem.ethz.ch單原子催化劑因有望在反應過程中同時提高金屬的利用率和選擇性而引起研究人員的廣泛關注。
  • 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
  • 如何定義單原子催化劑?
    onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.200462473/abstract Site-isolated heterogeneous catalyst 「Site-isolated heterogeneous catalyst」是指單獨分離的金屬有機配合物組成的非均相催化劑
  • 單原子催化劑研究現狀：我們在哪裡？要到哪裡去？
    【研究背景】隨著納米催化的發展和表徵技術的進步，研究者發現表面不飽和配位原子往往是催化的活性位點，基於此，研究者通過控制納米晶的尺寸、形貌、晶面去調控催化劑表面原子的分布和結構以提高催化性能。當催化劑尺寸降低到團簇、單原子時，其能級結構和電子結構會發生根本性的變化，正是由於這種獨特的結構特點，使得單原子催化劑往往表現出不同於傳統納米催化劑的活性、選擇性和穩定性。單原子催化劑因其具有原子級分散的金屬活性中心，表現出極其優異的催化活性和最大的原子使用效率。
  • 調控活性位密度和載體孔結構增強單原子Fe催化劑ORR性能
    通常選用Pt催化劑來加速4e-氧還原反應，但是Pt屬於貴金屬，儲量稀少、價格昂貴且容易失活。因此，開發非貴金屬基催化劑對於降低催化劑成本具有重要的意義。目前已報導的低成本ORR催化劑主要包括：不含金屬元素的碳基催化劑（Sci. Adv., 2016, 2, e1501122）、過渡金屬單原子催化劑（Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 5207）、過渡金屬氮化物催化劑（Nat.
  • 新型納米氮化碳光催化劑
    氮化碳是一種基於碳和氮的納米材料，能夠吸收可見光，並利用光子中存在的能量來催化工業上的化學反應。氮化碳是一種光催化劑，使用可廣泛獲得的、具有成本效益的前驅體很容易大規模生產。這種異質材料穩定、堅固，並可輕易回收利用。更重要的是，氮化碳可以用來替代昂貴且有潛在毒性的金屬基催化劑。
  • 單原子催化,難得一見的好綜述!
    研究背景單原子催化劑（SACs）為研究均相和非均相催化劑提供了一個極好的平臺。固定在適當載體上的分離的金屬原子具有眾所周知的幾何構型和電子結構，原子利用率為100％，並且可以有效地催化底物轉化為所需的產物。毫無疑問，金屬多相納米催化劑受到了嚴重的衝擊，集中在載體上的金屬原子可能位於平臺，紐結，邊緣，拐角或金屬與載體之間的界面，這些部位具有不同的配位環境和電子結構，因此不可避免地會發生活性位點中毒。
  • 單個過渡金屬位點用於水氧化：從單核分子催化到單原子催化
    本文從均相單核分子催化到異相單原子催化總結了單個過渡金屬位點應用於不同催化水氧化反應體系中的研究進展。MMCs通常是指分子水平上的一種均相催化劑，單核或多核金屬原子位點能與有機配體良好結合。其固有特徵為結構明確的活性中心、功能性配體和獨特的配位幾何構型。3.然而其瓶頸問題為穩定性欠佳，且較難回收再利用。為解決該問題，可以將MMCs錨定在固體載體上(異質化的MMCs)，以固定的金屬原子為催化中心，進行異相水氧化催化反應。
  • 電化學沉積實現單原子催化劑的普適性製備
    單原子催化劑是一類將孤立分散的金屬原子負載到載體上的新型催化劑。單原子催化劑最大化的原子利用率可以有效減少金屬材料的使用，尤其是貴金屬材料，這對催化劑的生產成本十分有利。同時，單原子催化劑中活性金屬中心的配位結構會影響單原子催化劑的電子結構。
  • 單原子催化劑熱穩定性提升
    37617次閱讀 作者：陶加   來源：中國化工報    2019年01月29日 收藏 　　中化新網訊 近日，中科院大連化物所航天催化與新材料研究中心喬波濤研究員和張濤院士團隊在單原子催化方面取得新進展
  • 催化劑失活,不用怕!氮化碳光催化劑來解決
    成果簡介基於此，德國馬克斯-普朗克膠體與界面研究所的Bartholomus Pieber（通訊作者）等人報導了通過使用氮化碳（CN）光催化劑可以避免催化劑的失活。1 mol％的均相PRC (Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy))PF6的反應對所需偶聯產物的選擇性低（33％），且收率很小的反應會形成大量黑色沉澱。將PRC含量降低至0.02 mol％，顯著提高產率（77％），且未觀察到形成顆粒。因此，PRC的量在避免形成鎳黑起著至關重要的作用，並且需要分別確定每種底物的最佳催化劑負載量。
  • Nanoscale | 功能化氮化碳材料用於水氧化
    通過建立構效關係，本文為聚合物氮化碳基材料在不同催化水氧化體系中的合成策略、結構改性和性能提升方面提供了清晰的設計思路。鑑於氮化碳的堆疊二維層狀結構特點以及豐富的吡啶氮，目前有越來越多的研究專注於氮化碳的結構改性和水氧化性能提升，比如雜原子摻雜，輔助催化劑修飾和異質結構建。當前更多的綜述文章大多圍繞氮化碳在產氫等還原反應中的應用，而較少匯總其在水氧化中的應用實例，本文較為全面、系統的總結了氮化碳在不同水氧化體系中的改進工程策略，並提出前瞻觀點。
  • 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。
  • 群雄逐鹿,單原子電催化劑的前世今生!
    單原子概念的提出，離不開研究人員對提高貴金屬催化劑（Pt, Pd, Rh等）原子利用率(Atomic utilization ratio)的追求。減小納米催化劑的粒徑，一直是提高貴金屬催化劑原子利用率的經典策略，將納米粒子的粒徑縮小到極限，理論上會得到100%的原子利用率，實現這種性能的材料，就是本文的主角-單原子催化劑。
  • 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。
  • 中國科大在催化劑金屬-載體強相互作用方面取得新進展
    近日，中國科學技術大學梁海偉教授課題組與武曉君教授課題組進行實驗和理論相結合的合作研究，基於硫摻雜碳負載鉑（Pt）催化劑體系，發現了金屬與碳載體之間的電荷轉移方向隨著Pt尺寸的變化而反轉的新現象（圖1）。
  • 單原子催化劑宏量製備哪家強？已從實驗室邁向工業界
    不同尺寸的金屬物種的電子結構和幾何結構的比較。圖片來源：Chem.高金屬負載量的單原子催化劑3、大連化物所喬波濤研究員、李為臻研究員和張濤院士團隊在單原子催化研究方面取得新進展，通過簡單的物理混合方法，經高溫焙燒即可製備得到高熱穩定單原子催化劑。研究表明，強共價金屬-載體相互作用可促進單原子的生成。該方法操作簡單、易放大，已實現千克規模製備，為單原子催化劑的大規模製備奠定了基礎。(Nat.
  • 單原子材料近期研究進展 這三個課題組值得關注
    單原子催化劑是負載型金屬催化劑的理想狀態，實現了金屬以單原子的形式均勻分布在載體上。均一分散的單原子作為催化活性中心與均相催化類似，實現了催化反應的高活性和高選擇性，同時也為催化劑機理的研究提供了新的解決方案。本文總結了科研界學術大牛在單原子材料領域的最新成果，希望對從事單原子材料相關領域的你有所啟發。
  • 張濤&李為臻&喬波濤Nature子刊:強金屬-載體相互作用,製備熱穩定單原子催化劑
    單原子催化劑（SAC）具有固定在載體上的均勻分布的金屬原子，隨著負載金屬尺寸的減小，SAC達到了最大的原子利用效率。此外，由於獨特的配位環境，金屬原子和載體的強相互作用和量子尺寸效應，原子級分散的金屬物種通常表現出獨特的電子態。單原子催化劑在許多異相反應中均表現出優異的催化性能。然而，SAC不太容易製備獲得，要以簡單且可大量的生產的方式製備熱穩定的SAC仍然是艱巨的挑戰。
  • 北理工基於MOF的銦單原子催化劑設計及電催化CO2還原獲進展
    近日，北京理工大學材料物理化學系能源催化研究所（籌）的陳文星副研究員、張加濤教授和清華大學的王定勝教授、李亞棟院士團隊合作，在In單原子催化劑的設計合成及高效電催化CO2還原（CO2RR）製備甲酸鹽的研究中取得重要進展，相關成果以「Design of a Single-Atom Indiumδ