异相纳米结构助力优异的催化性能

2020-01-27 05:30 来源:未知

选择性催化在精细化工、石油冶炼等诸多领域至关重要。发展高效的选择性催化剂一直是相关领域的研究热点。和其它材料相比,贵金属催化剂,尤其是贵金属超薄二维纳米材料因在诸多催化反应中均展现出极为优越的活性,而引起广泛的关注。近几年来,贵金属的晶相工程学逐渐成为一个新兴的、具有前景的,但极具挑战性的研究领域。贵金属,由于其原子间作用力大,极易形成热力学稳定相,即最密堆积结构,原子排列杂乱无章的并具有各项同性的非晶结构很难生长。但非晶结构内大量的低配位原子提供了丰富的活性位点,有望带来优异的催化性能。而构建非晶/结晶异相纳米结构的复合界面也有利于提高催化活性、调控催化的选择性,进而带来更加广阔的应用空间。

中国化工仪器网 技术前沿】近日,中国科学院大连化学物理研究所航天催化与新材料研究中心的中科院院士张涛和研究员王爱琴团队在单原子催化剂研究领域取得新进展,制备出单原子分散的Fe-N-C催化剂,并将其应用于C-H键选择性氧化反应中,获得了优异的活性和选择性。 特别是利用包括X射线吸收光谱和穆斯堡尔谱在内的多种表征技术,证明了中自旋Fe-N5结构具有高的催化活性。相关结果以全文形式发表于《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b05130)。 M-N-C催化剂(M代表Fe、Co、Ni等)被广泛应用于电化学反应(如ORR、HER、CO2RR)和有机化学反应中,因其优异的催化性能有望成为一种替代Pt族金属的非贵金属催化剂。 但由于M-N-C催化剂的组成较为复杂,对其活性中心的认识存在诸多争议。而单原子分散的催化剂由于避免了M0、MOx、MCx等纳米颗粒的干扰,为活性位的精细结构解析提供了独特优势。 此前,该研究团队已经合成出单原子分散的Co-N-C催化剂,并确定其结构为CoN4C8-1-2O2(Chem. Sci., 2016, 7, 5758-5764)。在此基础上,该团队又成功制备出单原子分散的Fe-N-C催化剂,该催化剂在乙苯C-H键选择性氧化反应中的催化活性和选择性可媲美均相催化剂,且具有优异的底物普适性和反应稳定性。更为重要的是,通过XAFS、Mössbauer、EPR和毒化试验证明Fe-N-C催化剂中三价铁离子存在多种配位结构(FeNx, x = 4,5,6),其中中自旋的Fe-N5结构具有高催化活性,而该结构在数量上却仅占18%,说明Fe-N-C催化剂的活性具有很大的提升空间,这对于后续指导人们设计更为的Fe-N-C催化剂提供了新的思路。 上述研究工作得到国家自然科学基金委、科技部、中科院战略性先导科技专项和教育部能源材料化学协同创新中心的资助。 编辑点评 因M-N-C催化剂优异的催化性能有望成为一种替代Pt族金属的非贵金属催化剂,该催化剂被广泛应用于电化学反应和有机化学反应中,但其组分复杂,对其活性中心还存在诸多争议。单原子分散的催化剂恰好避免了纳米颗粒的干扰,具有优异的活性和选择性,将为该领域后续研究奠定基础。 (原标题:大连化物所单原子催化剂研究取得新进展)

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