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記者從中國科學院山西煤炭化學研究所獲悉,日前該單位副研究員張斌、研究員覃勇團隊與副研究員劉星辰合作,在化學催化領(lǐng)域率先提出了移動催化概念,并報道了首個移動催化的實例。相關(guān)成果發(fā)表于《德國應用化學》。
負載型金屬催化劑在化學工業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過高效催化劑的研發(fā),能夠顯著降低能耗,發(fā)展新的綠色化學過程。一般認為,載體上的金屬原子提供催化反應的活性位點,而活性金屬位點是靜止不動的。這導致載體上遠離金屬位點處的中間體無法轉(zhuǎn)化,限制了金屬催化劑效率的提升。 團隊通過多重氣相脈沖鍵合策略,將配體保護的鉑單原子鍵合在氧化鈰載體上,利用二氧化碳加氫反應中原位產(chǎn)生的氫離子和一氧化碳的配位作用,將配體保護的鉑單原子轉(zhuǎn)化形成載體表面可移動的分子,通過提高活性中心與二氧化碳在氧化鈰載體吸附產(chǎn)生的碳酸鹽中間體之間的碰撞概率,獲得了極高的逆水煤氣催化效率。移動催化為設(shè)計各種高效非均相催化劑和其應用提供了一種前景廣闊的策略。 移動催化概念的提出,旨在解決高分散催化劑在苛刻環(huán)境容易團聚、不能轉(zhuǎn)化載體表面吸附物種等難題,通過構(gòu)筑真實反應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分子或中間體的碰撞幾率,進而提升反應效率。 為構(gòu)筑這種可逆鍵合物種,研究人員發(fā)展出一種多重脈沖氣相吸附策略,使用原子層沉積技術(shù)前驅(qū)體與氧化鈰載體發(fā)生多次半反應,構(gòu)筑配位結(jié)構(gòu)相同,但覆蓋度不同的催化劑。通過自主設(shè)計建設(shè)的原子層沉積-紅外-質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng),研究人員實時觀測鉑前驅(qū)體與氧化鈰表面之間的化學反應。 在逆水煤氣反應中,該催化劑不僅呈現(xiàn)出極高的轉(zhuǎn)化頻率,還產(chǎn)生了反常的轉(zhuǎn)化頻率-負載量相關(guān)性,即相近表觀活化能下,具有相近初始配位結(jié)構(gòu)的鉑分子片段的本征活性隨鉑原子覆蓋度的降低而明顯提高。移動催化概念的提出,為認識催化過程的動態(tài)行為和理解催化過程的復雜性提供了新的角度,為進一步解決高效催化劑設(shè)計和理論研究提供良好的研究基礎(chǔ)。 |