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大連化物所構(gòu)建出高溫穩(wěn)定的銅基催化劑
責(zé)編:李曉燕 發(fā)布時(shí)間:2021-12-27 14:12:03 瀏覽次數(shù):

   近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所碳資源小分子與氫能利用創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員孫劍、副研究員俞佳楓團(tuán)隊(duì),與日本富山大學(xué)教授Noritatsu Tsubaki、大連化物所電鏡技術(shù)研究組副研究員劉岳峰等人合作,構(gòu)建了800℃高溫穩(wěn)定的銅基多相催化劑。合作團(tuán)隊(duì)結(jié)合磁控濺射(Sputtering,SP)和火焰噴射(Flame spray pyrolysis,F(xiàn)SP)兩種負(fù)載型催化劑制備新技術(shù),分別對金屬銅的電子結(jié)構(gòu)和TiO2載體的可還原性進(jìn)行重構(gòu),首次在較低溫條件下構(gòu)建了非貴金屬銅基催化劑上經(jīng)典的金屬載體強(qiáng)相互作用(Strong metal-support interaction, SMSI),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了耐水耐高溫銅催化劑的可控制備。

 

   長期以來,銅基催化劑因其廉價(jià)和高活性而被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)催化反應(yīng)中。但受限于較低的塔曼溫度,銅納米顆粒極易在300℃以上燒結(jié)聚集而導(dǎo)致失活,限制了其高溫應(yīng)用。因此,構(gòu)建可穩(wěn)定銅顆粒的保護(hù)層,從根本上限制其聚集長大是解決該問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而,金屬銅的功函數(shù)較低,并且對氫氣活化能力較弱,較難誘導(dǎo)載體物種向其表面遷移形成包裹,無法像傳統(tǒng)貴金屬一樣在溫和條件下形成金屬載體強(qiáng)相互作用。
 
   該工作中,科研人員通過利用自主開發(fā)的SP技術(shù),改變了Cu的外圍電子環(huán)境,并采用FSP技術(shù),增加了氧化物中晶格氧無序度,分別促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移和載體還原,實(shí)現(xiàn)了在300℃較溫和條件下即可形成SMSI。研究發(fā)現(xiàn),在高溫(550-800℃)CO2加氫(逆水氣變換)反應(yīng)條件下,該銅基多相催化劑可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行700小時(shí),并且未見顆粒長大。該工作實(shí)現(xiàn)了銅催化劑上SMSI的構(gòu)筑和調(diào)控,闡明了催化劑表界面上的反應(yīng)過程和催化機(jī)理,為提高銅基催化劑的水熱穩(wěn)定性提供了新策略,有望進(jìn)一步拓寬銅基催化劑的高溫應(yīng)用領(lǐng)域。
 
   近年來,孫劍團(tuán)隊(duì)在CO2加氫和先進(jìn)納米催化材料的制備和新應(yīng)用方面取得系列成果,采用SP技術(shù)(Sci. Adv.,2018;ACS Catal.,2014)和FSP技術(shù)(ACS Catal. ,2020;Chem. Sci.,2018;Chem. Comm. ,2021;Appl. Catal. B: Environ.,2016)開發(fā)出與傳統(tǒng)催化劑不同性質(zhì)的催化材料,并應(yīng)用于加氫、氧化、重整等多種催化反應(yīng)中。
 
   相關(guān)研究成果以Ultra-high Thermal Stability of Sputtering Reconstructed Cu-based Catalysts為題,發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、興遼英才青年拔尖人才計(jì)劃、大連市杰出青年科技人才計(jì)劃、大連化物所創(chuàng)新基金等的支持。
 
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大連化物所實(shí)現(xiàn)高溫穩(wěn)定的銅基催化劑的研制
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