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中国科大提出催化剂设计的表界面极化概念
  文章来源:中国科学技术大学 发布时间:2014-11-14 【字号: 小  中  大   

  多相催化是实现高效定向化学转化的关键技术,其中的一个重要基础科学问题是如何通过精确设计和调控催化活性位结构及所在环境,从而强化其定向催化功能并创造新型高效催化剂。近日,中国科学技术大学熊宇杰教授课题组和江俊教授课题组继在电催化体系中提出表面极化概念后,再次通过与黄伟新教授课题组合作,证实界面极化在气相催化反应中的关键作用。该研究成果发表在《美国化学会志》上(J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14650),共同第一作者是博士生柏彧、张文华副研究员和博士生张振华。

  电荷转移是多相催化反应中的一个关键过程,其效率很大程度上取决于催化剂的表面电荷密度。尽管过去业界已在催化剂表面晶面调控方面取得了长足进展,理性调控此类固体材料的表面电荷状态依然是一个挑战。研究人员在先前研究中以二维体系为模型结构,发现不同材料复合带来的表面极化可有助于催化性能的提高。然而在二维模型中,有效的表面极化只能促使电荷穿过原子尺度厚度的薄膜,因此通常需要使用昂贵的原子层沉积技术、将复合结构中的上层薄膜材料控制在少数原子层范围。

  研究人员针对该瓶颈,设计了一类具有暴露界面的金属-氧化物复合结构,并发展了其界面长度精准控制的合成方法,从而构筑得到一系列界面长度可控的复合结构。在此类具有一维界面的复合结构中,金属和氧化物的界面极化作用可以在暴露界面邻近的氧化物表面聚集电荷,从而克服了二维模型中极化电荷需要穿越上层薄膜的困难。以一氧化碳氧化反应为模型,研究人员发现界面极化作用有利于降低一氧化碳分子在氧化物表面活化的势垒,使得复合结构的一维界面成为一氧化碳氧化反应的活性位点。研究人员开发出的可控合成方法为调控位于界面附近的活性位点的数目提供了途径,得以理性地调变其催化转化率。该进展提出了新的界面工程思路,为开发高效、低成本的金属-氧化物复合催化剂铺平了道路。该研究发现有助于加深人们对复合结构材料中电荷极化行为和机制的认识,也对复合结构催化剂的理性设计具有重要推动作用。

  上述研究工作得到了科技部“973”计划、国家自然科学基金、霍英东青年教师基金、高等学校博士学科点专项科研基金、国家青年千人计划、中科院百人计划、学校重要方向项目培育基金等项目的资助。

 

金属-氧化物复合材料界面极化增强一氧化碳氧化反应的原理图示 

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