中國科大在非均相催化劑均相化方面取得重大進展
近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院吳長征教授實驗課題組和工程科學學院近代力學系的吳恒安教授理論計算課題組合作，將電催化活性金屬溶解于熔融態(tài)鎵中，成功實現(xiàn)了非均相催化劑表面活性位點的均相化，將二氧化碳還原產物甲酸的選擇性提高到95%以上，相關成果于3月11號在線發(fā)表在《自然?催化》雜志上 (Nature?Catalysis 2021, DOI: 10.1038/s41929-021-00576-3)。
非均相催化劑由于存在各式各樣的缺陷、臺階、轉角、晶面等，表面的活性組分往往處于不同的局域配位環(huán)境，導致出現(xiàn)多活性位點并存現(xiàn)象以及由此造成的產物選擇性下降。而均相催化劑由于活性中心單一，結構簡單、明晰，在產物選擇性以及用作反應機理研究模型方面具有明顯的優(yōu)勢。因此，將非均相催化劑均相化有望成為催化性能提升以及反應機理研究的關鍵途徑。
Ga-Sn和Ga-In合金固態(tài)和液態(tài)時的原子/電子結構以及催化性質對比
針對這一挑戰(zhàn)，吳長征教授團隊獨辟蹊徑，選擇以近室溫熔融的金屬Ga作為具有二氧化碳還原電催化活性的Sn和In的基底，從一種全新的角度實現(xiàn)了Sn和In非均相催化劑的均相化。原位結構表征和第一性原理分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)：固態(tài)時，Sn和In形成了相分離的納米團簇，均勻嵌入在固態(tài)Ga基質中；而液態(tài)時，Sn和In以單原子形式游離分散在熔融態(tài)Ga中。進一步電子結構表征發(fā)現(xiàn)，負載在液態(tài)Ga中的活性中心相比于固態(tài)Ga具有顯著增強的還原性，使得二氧化碳還原產物甲酸的選擇性由固態(tài)時的30%左右提高到了液態(tài)時的95%以上，析氫副反應得以明顯抑制。此外，液態(tài)合金由于具有良好的氧化還原可逆性以及表面組分的可流動性，表現(xiàn)出自修復特性，其催化穩(wěn)定性得以顯著改善。
該項研究工作探索了液態(tài)材料作為非均相催化劑負載基底方面的可行性，為非均相催化劑均相化提供了一種新的表界面合成思路。
中國科學技術大學化學與材料科學學院劉鴻飛特任副研究員和工程科學學院夏駿博士后是本論文共同第一作者，吳長征教授是本論文通訊作者。該項研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學基金以及國家自然科學基金重大項目的資助。
論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41929-021-00576-3
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