我所揭示高密度单原子Pd基选择加氢催化剂的稳定机制

  近日,我所能源研究技术平台电镜技术研究组(DNL2002)刘岳峰副研究员团队和催化与新材料研究中心王爱琴研究员、张涛院士团队,与法国斯特拉斯堡大学、德国马普协会化学能源转化研究所、四川大学等团队合作,在阐明碳化钼(α-MoC)负载高密度单原子Pd基催化剂的稳定机制,以及在选择加氢反应中的独特催化性能方面取得新进展。

  单原子催化剂(SAC)具有独特的几何和电子结构,在选择加氢反应中显示出优异的活性和选择性。由于单个金属原子与载体的直接化学键合,SAC的性能在很大程度上取决于所用载体的性质。在相对较高的温度下,将单原子催化剂暴露于还原性气氛中,这种金属-氧络合物将被破坏,导致单个原子的聚集/烧结,并因此失去其化学选择性。因此,获得高稳定、高密度单原子选择加氢催化剂,特别是较高反应温度下仍然保持原子级分散的催化剂极具挑战。

  本工作中,研究人员首先利用配备原位样品台的球差校正扫描透射电子显微镜(AC-STEM)在常压(1 bar)、20%CH4/H2混合碳化气氛中原位观测高负载量(质量百分含量至5wt%)的Pd纳米粒子从纳米粒子至原子级分散的动力学过程,并结合原位谱学技术(包括NAP-XPS和准原位XAS)和理论计算(DFT),确定了在原位碳化过程中Pd原子倾向于迁移到富含空位的碳化钼表面,形成高密度、表面富集的单原子分散的Pd1/α-MoC催化剂。研究人员进一步将Pd1/α-MoC催化剂成功应用到芳香硝基化合物的液相选择加氢和富氢条件下逆水煤气反应(RWGS, CO2 + 3H2→CO + 2H2 + H2O)中,其均表现出优异的活性和选择性,远优于Pd纳米颗粒催化剂。更重要的是,Pd1/α-MoC催化剂可以承受高达400°C的还原/反应气氛,且没有单原子的聚集。这项工作为寻求在苛刻的还原条件和高密度条件下仍具有优异选择性和稳定性的单原子催化剂提供了一条新途径。

  该成果发表于《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。上述研究工作得到国家自然科学基金项目、中科院战略性先导科技专项(B)“能源化学转化的本质与调控”、国家重点研发计划、辽宁省“兴辽英才计划”项目和中科院青年创新促进会等资助。(文/图 马颖、任煜京)

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