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科研进展

2021年03月12日
中国科大在非均相催化剂均相化方面取得重大进展

近日,中国科学技术大学化学与材料科学学院吴长征教授实验课题组和工程科学学院近代力学系的吴恒安教授理论计算课题组合作,将电催化活性金属溶解于熔融态镓中,成功实现了非均相催化剂表面活性位点的均相化,将二氧化碳还原产物甲酸的选择性提高到95%以上,相关成果于3月11号在线发表在《自然•催化》杂志上 (Nature Catalysis 2021, DOI: 10.1038/s41929-021-00576-3)。

非均相催化剂由于存在各式各样的缺陷、台阶、转角、晶面等,表面的活性组分往往处于不同的局域配位环境,导致出现多活性位点并存现象以及由此造成的产物选择性下降。而均相催化剂由于活性中心单一,结构简单、明晰,在产物选择性以及用作反应机理研究模型方面具有明显的优势。因此,将非均相催化剂均相化有望成为催化性能提升以及反应机理研究的关键途径。

Ga-Sn和Ga-In合金固态和液态时的原子/电子结构以及催化性质对比

针对这一挑战,吴长征教授团队独辟蹊径,选择以近室温熔融的金属Ga作为具有二氧化碳还原电催化活性的Sn和In的基底,从一种全新的角度实现了Sn和In非均相催化剂的均相化。原位结构表征和第一性原理分子动力学模拟发现:固态时,Sn和In形成了相分离的纳米团簇,均匀嵌入在固态Ga基质中;而液态时,Sn和In以单原子形式游离分散在熔融态Ga中。进一步电子结构表征发现,负载在液态Ga中的活性中心相比于固态Ga具有显著增强的还原性,使得二氧化碳还原产物甲酸的选择性由固态时的30%左右提高到了液态时的95%以上,析氢副反应得以明显抑制。此外,液态合金由于具有良好的氧化还原可逆性以及表面组分的可流动性,表现出自修复特性,其催化稳定性得以显著改善。

该项研究工作探索了液态材料作为非均相催化剂负载基底方面的可行性,为非均相催化剂均相化提供了一种新的表界面合成思路。

中国科学技术大学化学与材料科学学院刘鸿飞特任副研究员和工程科学学院夏骏博士后是本论文共同第一作者,吴长征教授是本论文通讯作者。该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金以及国家自然科学基金重大项目的资助。

论文链接:https://dx.doi.org/10.1038/s41929-021-00576-3


(化学与材料科学学院、工程科学学院、科研部)

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