贾春江课题组水气变换反应中金催化活性物种的指认研究取得进展

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近日，依托中国科学院上海高等研究院建立的张江实验室上海光源科学中心研究员司锐与山东大学教授贾春江课题组、北京大学教授严纯华课题组合作，将催化剂“构效关系”研究与同步辐射原位X射线技术紧密结合，在小尺寸金催化水气变换(water-gas shift, WGS)反应过程中的活性物种指认方面取得进展，相关研究成果以Direct Identification of Active Surface Species for the Water-Gas Shift Reaction on a Gold-Ceria Catalyst 为题发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4613-4623)上。

　　水气变换反应(CO + H2O → H2 + CO2)是氢燃料电池中制备、纯化氢气的重要反应，而氧化铈负载的金属催化剂表现出优异的催化性能，并引起了研究者的广泛关注，然而关于金活性物种的争论却长期存在。其中，实现真正意义上的原位检测各类金物种在反应过程中的结构演变是指认活性物种的关键。基于以上问题，司锐通过原位X射线吸收精细结构谱学(XAFS)技术，利用上海光源(SSRF)的BL14W1线站、美国NSLS光源的X18B线站分别获得了非原位、原位XAFS实验数据。在水气变换真实反应条件(CO + H2O)下追踪不同金物种，包括单分散的金原子(Au_atom)、小于2 nm的金团簇(Au_cluster)以及3-4 nm的金颗粒(Au_particle)的电子结构(X射线吸收近边谱、XANES、图1a/1c)和局域配位结构(扩展X吸收精细结构谱、EXAFS、图1b/1d)的变化过程，验证了具有部分氧化态的金团簇是反应的稳定活性物种。深入的研究结果表明：单分散的金原子只存在于氧气气氛中(图1a/1b)，在水气反应条件下易转变为金团簇；稳定存在的金团簇因其小尺寸的活性金结构(图1c/1d)，而比金颗粒具有更高的催化活性。因此，水气变换反应条件下稳定存在的活性物种应该是Au_cluster，而非Au_atom或Au_particle，该研究工作在阐述实际催化反应机理方面具有重要的指导意义。

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　　金原子、金团簇和金颗粒在不同条件下的原位XAFS谱图：(a) O2, XANES; (b) O2, EXAFS; (c) WGS, XANES; (d) WGS, EXAFS.

贾春江，教授，山东大学化学与化工学院副院长。2002在山东大学获理学学士，2007年在北京大学获理学博士学位，2007-2012在德国马普煤炭研究所做博士后和工作，2012年回到山东大学任教。贾春江教授在稀土、过渡金属氧化物纳米结构材料的可控制备和复合催化材料应用于能源、环境催化两方面取得了具有一定特色的研究结果。共发表学术期刊论文50篇，其中以第一或者通讯作者在Nat. Commun. J. Am. Soc. Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Catal.等期刊发表论文50余篇，3篇第一作者论文为ESI数据库“高被引论文”（“Highly Cited Paper”）。发表的全部论文累计他引2000余次，单篇最高他引400余次。曾获山东省泰山学者、德国洪堡学者、全国优秀博士论文提名奖、霍英东基金会高校青年教师奖等奖励，2016年获得国家基金委优秀青年基金资助，目前担任中国化学会无机化学学科委员会委员、青年工作者委员会委员。

严纯华，男，兰州大学教授。1961年出生于上海，江苏如皋人，1986年6月加入中国共产党，博士，教授，中国科学院院士。1978年10月考入北京大学化学系，先后获理学学士(1982年7月)、硕士(1985年7月)和博士学位(1988年1月)。此后留校工作，先后任北京大学讲师(1988年)、副教授(1989年)、教授(1992年)、长江学者特聘教授(1999年)、博雅讲席教授(2016年)。现任北京大学稀土材料化学及应用国家重点实验室主任、北京大学-香港大学稀土生物无机和材料化学联合实验室主任。曾任北京大学化学与分子工程学院副院长(1995年)、校自然科学处处长(1996年)。2011年当选为中国科学院院士，2012年当选为发展中国家科学院(TWAS)院士，2013年被选为第十二届全国人大代表，2018年当选第十三届全国政协委员。2013年11月起，历任北京大学副教务长、研究生院常务副院长，党委组织部部长。2016年10月任南开大学党委常委、副校长。2017年12月任兰州大学党委副书记、校长。