宋衛(wèi)國(guó)

(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，北京100190)

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金屬-氧化物體系多界面串聯(lián)催化劑

宋衛(wèi)國(guó)

(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，北京100190)

［Highlight］

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多數(shù)化工過(guò)程需要多步反應(yīng)才能獲得目標(biāo)產(chǎn)品，反應(yīng)原料的原子利用率低，反應(yīng)和純化單元操作步驟多，導(dǎo)致較高的成本和能源消耗。將多步反應(yīng)實(shí)現(xiàn)一步串聯(lián)高效轉(zhuǎn)化，將顯著提高原料利用率，簡(jiǎn)化反應(yīng)和純化過(guò)程，降低能源消耗1。負(fù)載型納米金屬催化劑是應(yīng)用最為廣泛的多相催化劑，金屬納米顆粒的催化性能可通過(guò)改變其組成、形貌、尺度、晶面結(jié)構(gòu)和金屬-氧化物界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控2。將不同的金屬-氧化物界面集成到一個(gè)納米反應(yīng)器中能夠獲得新型的串聯(lián)催化劑，納米反應(yīng)器的限域空間內(nèi)還將有利于不同功能界面間中間體的傳遞，提高反應(yīng)效率或改變反應(yīng)路徑。然而，傳統(tǒng)催化劑制備方法很難實(shí)現(xiàn)多界面催化劑組成和微觀結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。

原子層沉積技術(shù)(atomic layer deposition，ALD)是一種先進(jìn)的薄膜沉積技術(shù)。利用ALD技術(shù)自限制的特點(diǎn)，不僅能夠控制制備尺度均一納米顆粒、亞納米顆粒甚至單原子，還可控制制備具有各種組成和結(jié)構(gòu)的氧化物、碳化物、聚合物和有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料，可精確地調(diào)控催化劑的表界面結(jié)構(gòu)與組成3。中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉(zhuǎn)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室覃勇研究員課題組利用ALD技術(shù)設(shè)計(jì)制備出一種基于管套管結(jié)構(gòu)的金屬-氧化物體系多界面串聯(lián)催化劑。并以Ni/Al2O3和Pt/ TiO2兩種界面組合的催化劑為實(shí)例，以水合肼分解制氫和硝基苯加氫反應(yīng)為探針串聯(lián)反應(yīng)，證實(shí)了這種多界面限域催化劑設(shè)計(jì)理念的優(yōu)勢(shì)。相關(guān)工作以VIP文章發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition雜志4上。

該研究團(tuán)隊(duì)利用ALD技術(shù)在碳納米纖維為模板表面先后沉積Al2O3層和NiO納米粒子獲得Ni/Al2O3界面；然后沉積聚酰亞胺膜作為犧牲層；在犧牲層表面先后沉積Pt納米顆粒和TiO2層獲得Pt/TiO2界面；經(jīng)過(guò)煅燒和還原處理后得同時(shí)具有Ni/Al2O3和Pt/TiO2界面的管套管雙界面催化劑，界面間距可通過(guò)改變聚酰亞胺犧牲層的膜厚來(lái)調(diào)控。該雙界面催化劑在水合肼制氫和硝基苯加氫串聯(lián)反應(yīng)的活性顯著高于單界面催化劑和單界面催化劑物理混合物的性能。系統(tǒng)的表征和控制實(shí)驗(yàn)表明，活性氫能夠通過(guò)納米限域空間在兩種界面間快速傳遞，在Ni/Al2O3界面分解水合肼產(chǎn)生的活性氫無(wú)需脫附成氫氣即可傳遞到Pt/TiO2界面參與硝基苯加氫反應(yīng)，跳過(guò)了氫氣活化路徑，促進(jìn)了串聯(lián)反應(yīng)的高效進(jìn)行。這項(xiàng)研究開(kāi)辟了多功能多界面催化劑設(shè)計(jì)制備新途徑，為深入理解納米限域空間多界面協(xié)同催化和進(jìn)一步設(shè)計(jì)新型串聯(lián)催化反應(yīng)提供了新的思路。

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10.3866/PKU.WHXB201606291