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近日，大連理工(gong)大學化工(gong)學院(yuan)劉(liu)家(jia)旭(xu)教(jiao)授(shou)團隊與勞倫斯伯克利國家(jia)實驗室Ji Su研究員、Miquel Salmeron教(jiao)授(shou)、David Prendergast研究員課(ke)題組(zu)及華中(zhong)師范大學郭彥炳教(jiao)授(shou)課(ke)題組(zu)合作(zuo)在負(fu)載(zai)型(xing)催化劑研制方面取得突破(po)性(xing)進展，研究成(cheng)果“Pt-Ce催化劑中(zhong)氫化位點的形成(cheng)驅動高效選擇(ze)性(xing)氧化”(Formation of hydrided Pt-Ce-H sites in efficient, selective oxidation catalysts)在《科(ke)學》(Science)上發(fa)表(biao)。該(gai)研究表(biao)明在設計高效負(fu)載(zai)型(xing)催化劑時，需要精確構建金屬與載(zai)體之(zhi)間的界(jie)面結構，并充(chong)分(fen)利用(yong)氫在催化過程中(zhong)的獨特作(zuo)用(yong)。劉(liu)家(jia)旭(xu)教(jiao)授(shou)為通訊作(zuo)者(zhe)(zhe)之(zhi)一(yi)，團隊科(ke)研助(zhu)理閆思楊工(gong)程師為共同第一(yi)作(zuo)者(zhe)(zhe)。
在現(xian)代(dai)化工中，90%以(yi)上(shang)的(de)(de)生產過程(cheng)(cheng)需要(yao)催(cui)(cui)化劑的(de)(de)參(can)與。催(cui)(cui)化劑的(de)(de)應(ying)用可(ke)以(yi)改變化學(xue)反應(ying)速率，提高新(xin)物質、新(xin)材料的(de)(de)合成效率，是化工生產中必不可(ke)少的(de)(de)環(huan)節。其中，負(fu)載型(xing)金屬(shu)催(cui)(cui)化劑在化學(xue)工業和環(huan)境清潔(jie)方面有著廣泛的(de)(de)應(ying)用。但是，由于催(cui)(cui)化過程(cheng)(cheng)的(de)(de)復雜性(xing)，催(cui)(cui)化作用機理與催(cui)(cui)化劑設計存(cun)在著長(chang)期挑(tiao)戰，理論研究(jiu)與實(shi)際應(ying)用過程(cheng)(cheng)存(cun)在著明顯(xian)“鴻溝”。
劉家旭教(jiao)授團隊和國際合作(zuo)者從2019年開始，歷時六年時間，經過反復實驗及深入研討，最終通過修飾CeO2上的(de)(de)(de)Pt單位(wei)(wei)點，設計了(le)(le)Pt2+-Ce3+(Hδ)氫(qing)(qing)(qing)化(hua)(hua)中心(xin)的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)，其CO氧化(hua)(hua)反應(ying)速(su)率比Pt單位(wei)(wei)點高(gao)出(chu)9倍。借助多種原位(wei)(wei)表征手(shou)段結合理論模擬，確定(ding)了(le)(le)新的(de)(de)(de)Pt2+-Ce3+(Hδ)氫(qing)(qing)(qing)化(hua)(hua)中心(xin)的(de)(de)(de)結構(gou)(gou)和形(xing)成(cheng)機理以及CO氧化(hua)(hua)機理。首次明(ming)確提出(chu)并(bing)證實了(le)(le)這(zhe)種特定(ding)的(de)(de)(de)三元界(jie)面(mian)活性(xing)中心(xin)結構(gou)(gou)，揭示了(le)(le)氫(qing)(qing)(qing)在(zai)金屬(shu)-載體界(jie)面(mian)上的(de)(de)(de)關鍵作(zuo)用，實現了(le)(le)高(gao)效(xiao)且選(xuan)擇性(xing)的(de)(de)(de)氧化(hua)(hua)催(cui)化(hua)(hua)性(xing)能(neng)。這(zhe)種新型的(de)(de)(de)氫(qing)(qing)(qing)化(hua)(hua)反應(ying)中心(xin)能(neng)夠顯著提高(gao)氧化(hua)(hua)反應(ying)的(de)(de)(de)速(su)率(高(gao)TOF值(zhi))和產物的(de)(de)(de)選(xuan)擇性(xing)，克服(fu)了(le)(le)傳(chuan)統催(cui)化(hua)(hua)劑在(zai)效(xiao)率和選(xuan)擇性(xing)方面(mian)存在(zai)的(de)(de)(de)瓶(ping)頸。界(jie)面(mian)氫(qing)(qing)(qing)化(hua)(hua)反應(ying)中心(xin)的(de)(de)(de)概(gai)念可(ke)以擴展到負載型金屬(shu)催(cui)化(hua)(hua)劑，用于許(xu)多重要的(de)(de)(de)多相(xiang)催(cui)化(hua)(hua)反應(ying)。
Pt2+-Ce3+(Hδ)氫化位點的形成和結構
Pt2+-Ce3+(Hδ)氫化位催化劑的催化性能和增強的O2活化
將Pt2+-Ce3+(Hδ)氫化位(wei)催化劑的(de)應用拓展到其他(ta)反應
近年來，劉家旭教(jiao)授團隊一直致力于(yu)高效(xiao)(xiao)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)技(ji)術的(de)研(yan)(yan)制設計及工(gong)(gong)業(ye)化(hua)(hua)(hua)，通過(guo)開(kai)發(fa)(fa)新(xin)表(biao)征方法驅動催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑創新(xin)，在國(guo)際上首次開(kai)發(fa)(fa)出雙光束原位透射紅(hong)外表(biao)征方法，為(wei)近真實條(tiao)件(jian)下催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)反應的(de)機理(li)研(yan)(yan)究與催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑設計提(ti)供有力指(zhi)導;該表(biao)征技(ji)術已授權給(gei)世界頂級(ji)儀器公司(Thermo Fisher)進(jin)(jin)行(xing)商業(ye)推廣，目前已經推廣至多家科研(yan)(yan)單位。劉家旭教(jiao)授團隊在《自然-通訊》(Nature Communications)、《德國(guo)應用化(hua)(hua)(hua)學》(Angewandte Chemie International Edition)、《先進(jin)(jin)功能材料》(Advanced Functional Materials)及《ACS催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)》(ACS Catalysis)等(deng)高水(shui)平期刊發(fa)(fa)表(biao)論文30余篇(pian)，20余項發(fa)(fa)明專(zhuan)利實現成(cheng)果轉化(hua)(hua)(hua)，技(ji)術許可總金額達(da)3000余萬(wan)元。為(wei)化(hua)(hua)(hua)工(gong)(gong)企(qi)業(ye)累計研(yan)(yan)制1000余噸(dun)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑，成(cheng)功應用于(yu)中石油(you)四川(chuan)石化(hua)(hua)(hua)250萬(wan)噸(dun)/年大型煉油(you)裝(zhuang)置、10余套50萬(wan)噸(dun)/年雙氧(yang)水(shui)合(he)成(cheng)裝(zhuang)置、國(guo)內首套電子(zi)級(ji)HBr生產裝(zhuang)置和滿足國(guo)Ⅵ排(pai)放(fang)標準的(de)柴(chai)油(you)車尾(wei)氣(qi)凈化(hua)(hua)(hua)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)器等(deng)工(gong)(gong)業(ye)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)過(guo)程，為(wei)企(qi)業(ye)帶來顯(xian)著的(de)經濟效(xiao)(xiao)益。相關研(yan)(yan)究成(cheng)果于(yu)2023年底通過(guo)中國(guo)石油(you)和化(hua)(hua)(hua)工(gong)(gong)行(xing)業(ye)聯合(he)會的(de)鑒定，鑒定意(yi)見為(wei)“納(na)米催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)材料技(ji)術達(da)到國(guo)際先進(jin)(jin)水(shui)平”。
以上(shang)工作得到國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金面上(shang)項(xiang)目(mu)和教育部智能材(cai)料化工前(qian)沿(yan)科學中心項(xiang)目(mu)的(de)支持。
論文鏈接：
//www.science.org/doi/10.1126/science.adv0735
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