山西煤化所提出移動(dòng)催化概念----中國(guó)科學(xué)院

加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

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山西煤化所提出移動(dòng)催化概念

2024-02-02 山西煤炭化學(xué)研究所

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語(yǔ)音播報(bào)

近日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所副研究員張斌、研究員覃勇團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合副研究員劉星辰，提出了移動(dòng)催化概念，并報(bào)道了首個(gè)移動(dòng)催化的實(shí)例。該工作通過(guò)多重氣相脈沖鍵合策略將配體保護(hù)的Pt單原子鍵合在CeO₂載體上，利用CO₂加氫反應(yīng)中原位產(chǎn)生的H和CO的配位作用，將配體保護(hù)的Pt單原子轉(zhuǎn)化形成載體表面可移動(dòng)的MeCpPt(H)CO分子，通過(guò)提高活性中心與CO₂在CeO₂載體吸附產(chǎn)生的碳酸鹽中間體之間的碰撞概率，獲得了頗高的逆水煤氣催化效率。移動(dòng)催化為設(shè)計(jì)各種高效非均相催化劑及其應(yīng)用，提供了前景廣闊的策略。?

移動(dòng)催化概念旨在解決高分散催化劑在苛刻環(huán)境易團(tuán)聚、不能轉(zhuǎn)化載體表面吸附物種等難題，通過(guò)構(gòu)筑真實(shí)反應(yīng)條件下可在載體上可逆鍵合和遷移、催化的金屬活性中心，提升金屬中心和反應(yīng)分子或中間體的碰撞幾率，進(jìn)而提升反應(yīng)效率。 ?????

為構(gòu)筑這種可逆鍵合物種，該研究發(fā)展出多重脈沖氣相吸附策略，使用原子層沉積技術(shù)前驅(qū)體MeCpPtMe₃與CeO₂載體發(fā)生多次半反應(yīng)，構(gòu)筑配位結(jié)構(gòu)相同但覆蓋度不同的MeCpPt-CeO₂催化劑。研究通過(guò)自主設(shè)計(jì)建設(shè)的原子層沉積-紅外-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)，實(shí)時(shí)觀測(cè)Pt前驅(qū)體與CeO₂表面之間的化學(xué)反應(yīng)，并結(jié)合多種手段確認(rèn)了MeCpPt-分子片段在CeO₂上的落位情況和配位結(jié)構(gòu)。 ??

在逆水煤氣反應(yīng)中，該催化劑呈現(xiàn)出頗高的TOF值，并產(chǎn)生了反常的TOF-負(fù)載量相關(guān)性。也就是說(shuō)，相近表觀活化能下，具有相近初始配位結(jié)構(gòu)的Pt分子片段的本征活性隨Pt原子覆蓋度的降低而明顯提高。 ?????

為探究反應(yīng)機(jī)制，該研究利用準(zhǔn)原位XPS、原位XAFS、原位紅外觀察催化劑在反應(yīng)過(guò)程中的催化機(jī)制和結(jié)構(gòu)演變，證實(shí)了MeCpPt-O-Ce在原位條件下發(fā)生Pt-O鍵的斷鍵以及Pt-CO和Pt-H配位的形成。 ?

為直觀展示Pt單原子的原位移動(dòng)催化行為，該研究將MeCpPt/CeO₂催化劑與TiO₂載體機(jī)械混合并測(cè)試催化性能。研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械混合催化劑性能進(jìn)一步提升，分子遷移可以CeO₂和TiO₂之間跨顆粒進(jìn)行，為新催化概念提供了支持。 ?

進(jìn)一步結(jié)合DFT和從頭算分子動(dòng)力學(xué)模擬，該研究揭示了在原位反應(yīng)中MeCpPt分子片段與H和CO配位生成MeCpPt(H)CO可移動(dòng)分子，能夠在皮秒尺度沿CeO₂表面遷移而不脫落和團(tuán)聚，并移動(dòng)到碳酸鹽中間體上，實(shí)現(xiàn)高效催化轉(zhuǎn)化機(jī)理。 ?????

移動(dòng)催化概念為探討催化過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為和催化過(guò)程的復(fù)雜性提供了新角度，并可為進(jìn)一步解決高效催化劑設(shè)計(jì)和理論研究奠定基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員項(xiàng)目、山西省優(yōu)秀青年基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。

論文鏈接

移動(dòng)催化和傳統(tǒng)催化的比較

負(fù)載型金屬催化劑在化學(xué)工業(yè)中具有重要作用。研發(fā)高效催化劑，可顯著降低能耗，發(fā)展新的綠色化學(xué)過(guò)程。一般認(rèn)為，載體上的金屬原子提供催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)。而活性金屬位點(diǎn)是靜止不動(dòng)的，導(dǎo)致載體上遠(yuǎn)離金屬位點(diǎn)處的中間體無(wú)法轉(zhuǎn)化，限制了金屬催化劑效率的提升。近日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所副研究員張斌、研究員覃勇團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合副研究員劉星辰，提出了移動(dòng)催化概念，并報(bào)道了首個(gè)移動(dòng)催化的實(shí)例。該工作通過(guò)多重氣相脈沖鍵合策略將配體保護(hù)的Pt單原子鍵合在CeO2載體上，利用CO2加氫反應(yīng)中原位產(chǎn)生的H和CO的配位作用，將配體保護(hù)的Pt單原子轉(zhuǎn)化形成載體表面可移動(dòng)的MeCpPt(H)CO分子，通過(guò)提高活性中心與CO2在CeO2載體吸附產(chǎn)生的碳酸鹽中間體之間的碰撞概率，獲得了頗高的逆水煤氣催化效率。移動(dòng)催化為設(shè)計(jì)各種高效非均相催化劑及其應(yīng)用，提供了前景廣闊的策略。?移動(dòng)催化概念旨在解決高分散催化劑在苛刻環(huán)境易團(tuán)聚、不能轉(zhuǎn)化載體表面吸附物種等難題，通過(guò)構(gòu)筑真實(shí)反應(yīng)條件下可在載體上可逆鍵合和遷移、催化的金屬活性中心，提升金屬中心和反應(yīng)分子或中間體的碰撞幾率，進(jìn)而提升反應(yīng)效率。 ?????為構(gòu)筑這種可逆鍵合物種，該研究發(fā)展出多重脈沖氣相吸附策略，使用原子層沉積技術(shù)前驅(qū)體MeCpPtMe3與CeO2載體發(fā)生多次半反應(yīng)，構(gòu)筑配位結(jié)構(gòu)相同但覆蓋度不同的MeCpPt-CeO2催化劑。研究通過(guò)自主設(shè)計(jì)建設(shè)的原子層沉積-紅外-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)，實(shí)時(shí)觀測(cè)Pt前驅(qū)體與CeO2表面之間的化學(xué)反應(yīng)，并結(jié)合多種手段確認(rèn)了MeCpPt-分子片段在CeO2上的落位情況和配位結(jié)構(gòu)。 ??在逆水煤氣反應(yīng)中，該催化劑呈現(xiàn)出頗高的TOF值，并產(chǎn)生了反常的TOF-負(fù)載量相關(guān)性。也就是說(shuō)，相近表觀活化能下，具有相近初始配位結(jié)構(gòu)的Pt分子片段的本征活性隨Pt原子覆蓋度的降低而明顯提高。 ?????為探究反應(yīng)機(jī)制，該研究利用準(zhǔn)原位XPS、原位XAFS、原位紅外觀察催化劑在反應(yīng)過(guò)程中的催化機(jī)制和結(jié)構(gòu)演變，證實(shí)了MeCpPt-O-Ce在原位條件下發(fā)生Pt-O鍵的斷鍵以及Pt-CO和Pt-H配位的形成。 ?為直觀展示Pt單原子的原位移動(dòng)催化行為，該研究將MeCpPt/CeO2催化劑與TiO2載體機(jī)械混合并測(cè)試催化性能。研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械混合催化劑性能進(jìn)一步提升，分子遷移可以CeO2和TiO2之間跨顆粒進(jìn)行，為新催化概念提供了支持。 ?進(jìn)一步結(jié)合DFT和從頭算分子動(dòng)力學(xué)模擬，該研究揭示了在原位反應(yīng)中MeCpPt分子片段與H和CO配位生成MeCpPt(H)CO可移動(dòng)分子，能夠在皮秒尺度沿CeO2表面遷移而不脫落和團(tuán)聚，并移動(dòng)到碳酸鹽中間體上，實(shí)現(xiàn)高效催化轉(zhuǎn)化機(jī)理。 ?????移動(dòng)催化概念為探討催化過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為和催化過(guò)程的復(fù)雜性提供了新角度，并可為進(jìn)一步解決高效催化劑設(shè)計(jì)和理論研究奠定基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員項(xiàng)目、山西省優(yōu)秀青年基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。論文鏈接移動(dòng)催化和傳統(tǒng)催化的比較

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