李勇研究员、申文杰研究员等实现在单个金属粒子催化活性位的结构调控

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近日，我所催化基础国家重点实验室催化反应化学研究组（501组）李勇研究员、申文杰研究员等与德国卡尔斯鲁厄理工学院汪跃民教授、上海应用物理研究所姜政研究员、中国科技大学李微雪教授等合作，在单个金属合金粒子催化加氢研究方面取得新进展。
　　双金属合金催化剂具有可变的化学组成、可调的几何结构和迥异的电子分布特性，广泛应用于石油化工、精细化学品合成等领域。但是，在催化反应条件下合金粒子之间的金属原子迁移和扩散导致催化剂纳米粒子重构，以及表面化学组成、粒子尺寸、形貌、晶相等发生变化。因此，定量描述金属合金催化剂活性位原子结构是多相催化领域所面临的挑战。

　　本工作中，研究团队首先利用多元醇液相还原技术制备了单分散的PdCu纳米粒子（8nm），再利用反相微乳液法制备了SiO2包裹的PdCu@SiO2核壳型结构的单个粒子，最后，通过调节处理温度和气氛，在化学组成、尺寸和形貌不变的前提下，在SiO2壳层限域的纳米空间内实现了单一合金纳米粒子从有序体心立方（B2）到无序面心立方（fcc）的晶相转变。研究发现，在室温和计量比条件下的乙炔催化加氢反应中，B2粒子的转化速率是fcc粒子的十倍以上。此外，研究团队借助同步辐射、红外光谱、原位电镜和理论计算等，发现B2粒子的Pd和Cu原子分别有序占据体心立方的顶点和体心位置，而fcc粒子中的Pd和Cu原子随机落位于面心立方的顶点和面心位置；B2粒子表面具有高密度的Pd-Cu键，高度隔离的Pd位点可以活化H2分子，解离的H原子则落位在粒子表层和次表层的Pd和Cu原子间隙，表现出更高的催化加氢本征活性。本工作不仅揭示了单个金属纳米粒子活性位的原子结构，更为重要的是，为研究单个粒子催化行为和研制高活性金属合金催化剂提供了新思路和理论基础。
　　相关成果以“Tuning Crystal-phase of Bimetallic Single Nanoparticle for Catalytic Hydrogenation”为题，于近日发表在《自然—通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者是我所501组刘爽助理研究员。该工作得到国家自然科学基金等项目的资助。（文/图 刘爽）
　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32274-4


         文章来源：大连化物所
         李勇，男，1976年1月生，1998年毕业于烟台师范学院化学系，获得理学学士学位，2001年毕业于哈尔滨师范大学化学系，获得理学硕士学位，2006年毕业于中国科学院大连化学物理研究所，获得理学博士学位。2006年到2008年在日本关西大学做博士后。2008年应聘到大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室工作，先后任助理研究员、副研究员，2014年7月应聘为研究员。主要从事形貌、尺寸和结构可控的金属及金属氧化物纳米材料的合成，探索其在与能源和环境相关的纳米催化反应过程中的应用。在Nature, Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表研究论文50余篇。2010年荣获中国科学院沈阳分院第二届优秀青年科技人才奖，2011年中国科学院青年创新促进会会员。
         申文杰，1966年10月生，山西人。现任中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室主任，催化反应化学课题组组长，研究员，博士生导师。1988年毕业于中国国防科技大学，获理学学士学位；1991年毕业于太原理工大学，获工学硕士学位；1995年毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所，获工学博士学位；1996-1998年韩国化学研究院博士后；1998-2001年日本通产省工业技术研究院大阪工业技术研究所产业技术研究员；2001年入选中科院“百人计划”。主要从事催化材料和催化反应过程的应用基础研究，针对能源和环境的重要反应过程涉及的催化剂的高活性、高选择性、高稳定性，开展催化材料制备化学、结构调控、反应机理及动力学研究。自2001年以来，共发表SCI论文130余篇，被引用3300余次。ACS catalysis、Catalysis for Sustainable Energy、催化学报、科学通报、工业催化、燃料化学学报等期刊编委，ChemCatChem国际顾问委员会委员。近年来，作为首席科学家主持国家重大科技研究计划1项，课题负责人主持科技部973子课题1项、国家基金项目6项、英国石油公司(BP)和美国通用汽车公司(GM)的国际合作项目6项。先后获得国家自然科学基金委杰出青年科学基金，中国化学会催化委员会中国催化青年奖、中科院优秀导师等多项荣誉称号。