近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所副研究員劉岳峰團隊和王愛琴研究員、張濤院士團隊，與法國斯特拉斯堡大學(xué)、德國馬普協(xié)會化學(xué)能源轉(zhuǎn)化研究所、四川大學(xué)等團隊合作，在闡明碳化鉬( -MoC)負載高密度單原子Pd基催化劑的穩(wěn)定機制，以及在選擇加氫反應(yīng)中的獨特催化性能方面取得新進展。
單原子催化劑（SAC）具有獨特的幾何和電子結(jié)構(gòu)，在選擇加氫反應(yīng)中顯示出優(yōu)異的活性和選擇性。由于單個金屬原子與載體的直接化學(xué)鍵合，SAC的性能在很大程度上取決于所用載體的性質(zhì)。在相對較高的溫度下，將單原子催化劑暴露于還原性氣氛中，這種金屬-氧絡(luò)合物將被破壞，導(dǎo)致單個原子的聚集/燒結(jié)，并因此失去其化學(xué)選擇性。因此，獲得高穩(wěn)定、高密度單原子選擇加氫催化劑，特別是較高反應(yīng)溫度下仍然保持原子級分散的催化劑極具挑戰(zhàn)。
大連化物所揭示高密度單原子Pd基選擇加氫催化劑的穩(wěn)定機制
本工作中，研究人員首先利用配備原位樣品臺的球差校正掃描透射電子顯微鏡（AC-STEM）在常壓（1 bar）、20%CH4/H2混合碳化氣氛中原位觀測高負載量（質(zhì)量百分含量至5wt%）的Pd納米粒子從納米粒子至原子級分散的動力學(xué)過程，并結(jié)合原位譜學(xué)技術(shù)（包括NAP-XPS和準原位XAS）和理論計算（DFT），確定了在原位碳化過程中Pd原子傾向于遷移到富含空位的碳化鉬表面，形成高密度、表面富集的單原子分散的Pd1/ -MoC催化劑。研究人員進一步將Pd1/ -MoC催化劑成功應(yīng)用到芳香硝基化合物的液相選擇加氫和富氫條件下逆水煤氣反應(yīng)（RWGS, CO2 + 3H2 CO + 2H2 + H2O）中，其均表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和選擇性，遠優(yōu)于Pd納米顆粒催化劑。更重要的是，Pd1/ -MoC催化劑可以承受高達400 C的還原/反應(yīng)氣氛，且沒有單原子的聚集。這項工作為尋求在苛刻的還原條件和高密度條件下仍具有優(yōu)異選擇性和穩(wěn)定性的單原子催化劑提供了一條新途徑。
該成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B）“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、國家重點研發(fā)計劃、遼寧省“興遼英才計劃”項目和中科院青年創(chuàng)新促進會等資助。
