近期我校研究人員在大氣污染控制化學(xué)研究方面取得重要進(jìn)展，研究成果以“Taming the stability of Pd active phases through a compartmentalizing strategy toward nanostructured catalyst supports”（通過(guò)載體空間隔離效應(yīng)構(gòu)建高熱穩(wěn)定性Pd活性位的新策略）為題，于2019年4月8日在線發(fā)表在Nature Communications上，論文鏈接為：https://doi.org/10.1038/s41467-019-09662-4。
催化燃燒是控制揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放的最有效方法之一，即在催化劑的作用下將VOCs高效地轉(zhuǎn)化成CO2和H2O等無(wú)毒無(wú)害的產(chǎn)物。當(dāng)前VOCs催化燃燒技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中普遍采用貴金屬催化劑，其中貴金屬活性位的分散度是決定其VOCs催化燃燒性能的關(guān)鍵因素之一。提高貴金屬活性位的分散度，可提高貴金屬催化劑的VOCs燃燒性能。但是，此時(shí)貴金屬活性位表面自由能急劇升高，熱穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致其無(wú)法有效應(yīng)對(duì)VOCs燃燒強(qiáng)放熱造成的催化劑床層劇烈溫升的實(shí)際操作工況。因此，提高貴金屬活性位在高分散狀態(tài)下的熱穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)實(shí)際工況下VOCs高效和穩(wěn)定凈化的關(guān)鍵。
我校研究人員在前期工作基礎(chǔ)上（J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 16130；Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 4494），近期又提出了通過(guò)載體限域空間構(gòu)建實(shí)現(xiàn)貴金屬活性位高分散、高熱穩(wěn)定性制備的新策略。針對(duì)Al2O3載體進(jìn)行納米片組裝，構(gòu)建空心花球結(jié)構(gòu)，利用納米片表面五配位Al3+鍵合Pd前驅(qū)體，實(shí)現(xiàn)貴金屬活性位（PdOx）在Al2O3載體上的高度分散（標(biāo)記為Pd/NA-Al2O3），同時(shí)利用納米片相互交錯(cuò)形成的空間隔離效應(yīng)，有效抑制PdOx在高溫條件下的擴(kuò)散和遷移，導(dǎo)致制備得到的PdOx活性位同時(shí)具有高分散和高熱穩(wěn)定性的特性，在VOCs催化燃燒凈化過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在丙烷催化燃燒反應(yīng)中，經(jīng)1000oC高溫處理3小時(shí)后，Pd/NA-Al2O3比商業(yè)催化劑（Pd/La-Al2O3）可在低70oC溫度下實(shí)現(xiàn)丙烷完全轉(zhuǎn)化。而且，由于該催化劑具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，使得在高溫區(qū)間的升溫-降溫（300-800-300 oC）過(guò)程以及長(zhǎng)時(shí)間高溫（800 oC）反應(yīng)過(guò)程中丙烷凈化效率保持不變。
該研究不僅提供了一種實(shí)現(xiàn)貴金屬活性位高分散和高熱穩(wěn)定性制備的新策略，并且在低碳烷烴類(lèi)VOCs催化燃燒方面取得了突破，為實(shí)現(xiàn)VOCs的高效凈化奠定基礎(chǔ)。
該研究工作第一作者為楊新偉博士，通訊作者為詹望成教授，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和福州大學(xué)在催化劑制備方面提供了幫助，并獲得了龔學(xué)慶教授在理論計(jì)算方面的支持。研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助。
圖1（a）納米片和空心球等兩種結(jié)構(gòu)的Al2O3載體影響Pd活性位熱穩(wěn)定性的示意圖；（b）Pd/NA-Al2O3催化劑的SEM和TEM圖；（c）空心球結(jié)構(gòu)Al2O3載體負(fù)載Pd前后的二維27Al MQ MAS NMR；（d）Pd/NA-Al2O3催化劑的丙烷催化燃燒活性（原料氣組成：0.2 vol%C3H8+2 vol%O2/Ar，空速30 000 mL·h−1·gcat−1）