纳米人

Nature：“动而不聚”的原子级分散催化剂突破活性和稳定性矛盾！

纳米人
2022-10-31


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10月26日，中国科学技术大学曾杰课题组、华盛顿州立大学Yong Wang课题组、加利福尼亚大学戴维斯分校Bruce C. Gates课题组和亚利桑那州立大学刘景月课题组合作，在《自然》杂志发表了题为“Functional CeOx nanoglues for robust atomically dispersed catalysts”的文章。该工作报道了一种“纳米岛”限域的原子级分散催化剂，突破了传统催化剂活性和稳定性的矛盾。


在多相催化中，原子级分散的金属催化剂因具有独特的几何和电子特性、最高的原子利用效率和均匀的活性位点，而备受关注。然而，高度分散的金属原子或因高表面能而移动团聚，稳定性差；或因与载体作用过强而固定不动，导致活性位点钝化。因此，如何获取“动而不聚”的金属活性位点，从而打破催化剂活性和稳定性的对立矛盾，一直是催化领域悬而未解的难题之一。

鉴于此，研究人员设计出一种“纳米岛”型催化剂，即活性金属原子被隔离在“岛”上，可在各自的“岛”内移动但跨“岛”迁移受阻，进而实现原子的动态限域稳定。


为了实现这一目标，首先需要选取恰当的材料分别用作“纳米岛”和载体。金属原子与“纳米岛”的作用力需远强于它与载体的作用力，否则易离开各自的“纳米岛”。因此，研究人员在设计的模型催化剂中选取和金属作用强的氧化物作为“岛”（例如氧化铈），作用弱的氧化物作为支撑“岛”的载体（例如氧化硅）。

其次，为了高效地分隔金属原子，“岛”需要有足够高的密度和足够小的尺寸。传统的制备方法（例如固液混合浸渍法等）容易造成“岛”的尺寸过大且不均匀。研究人员开发出一种溶液相静电吸附的合成方法（图1），首先将高密度的铈原子附着在氧化硅表面，随后使其自下而上受控团聚为仅2纳米的孤立“岛”（图2）。

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图1. 氧化铈“纳米岛”稳定铂原子催化剂的合成过程示意图。

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图2. 负载在氧化硅上的氧化铈“纳米岛”的结构表征。


随后的难点在于将金属原子准确地放置在“纳米岛”上。为此，研究人员再次借助液相静电吸附法，并巧妙的利用零电点原理，使氧化铈岛和氧化硅载体表面分别带上相反电荷。由于异性电荷相互吸引的作用，负电性的铂前驱体只会被选择性地吸附在带正电的氧化铈“纳米岛”上，而不会在带负电的氧化硅载体上，从而实现了铂原子的择位生长。由于小尺寸“纳米岛”的吸附面积有限，通过控制铂前驱体浓度，就可以实现平均每个“岛”上不超过一个铂原子的目标（图3）。


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图3. 负载铂原子的“纳米岛”催化剂的结构表征。


稳定性研究表明，氧化铈“纳米岛”上的铂原子可以抵抗高达600摄氏度的空气煅烧。特别地，铂原子在高温下的氢气氛围中只会限定在“岛”内移动，不会跨“岛”团聚，实现了活性位点的“动而不聚”。经此活化后的催化剂，在催化一氧化碳氧化反应的速率提升两个数量级并兼具高稳定性（图4）。

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图4. 负载铂原子的“纳米岛”催化剂的催化性能测试。


这一工作为突破催化剂活性和稳定性的矛盾提供了新的解决思路。未来，通过选择特定材料的载体、“纳米岛”和活性金属原子，有望将该“纳米岛”类型催化剂应用于不同的催化反应。


该项工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05251-6


课题组介绍：


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曾杰，1980年9月出生于河南省商城县，现任中国科学技术大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金入选者，国家“万人计划”科技创新领军人才，担任国家重点研发计划首席科学家。荣获中国青年科技奖“特别奖”、中国化学会-赢创化学创新奖、侯德榜化工科学技术青年奖、中国新锐科技人物、安徽省自然科学奖一等奖、安徽青年五四奖章等奖项。


曾杰教授主要研究领域为碳一催化，旨在实现高效转化碳基小分子（如CO、CO2和CH4）制备液体燃料和高附加值化工品。近年来已在Nature (1篇)、Nat. Nanotechnol. (3篇)、Nat. Catal. (1篇)、Nat. Energy (1篇)、Nat. Commun. (13篇)等高影响力学术期刊发表了207篇论文，总被引用18000余次，H因子为71。出版书籍四部，申请中美专利76项。Nature对曾杰教授进行了专访，相关采访发表在Nature的亮点专栏(https://www.nature.com/articles/d41586-022-00803-2)。部分研究成果被Nat. Mater. 杂志、Angew. Chem. Int. Ed. 杂志、C&EN News、Materials Views等国际科学媒体广泛报道，并多次被央视、《人民日报》、《人民日报（海外版）》、《光明日报》、《科技日报》等多家国内主流媒体关注。


课题组拥有一流的工作平台，开放活跃的学术氛围和丰富的国内外交流合作机会。现有平台和仪器包括原位DRIFTS、TPD-MS、BET、电化学测试一体化测试平台、各类固定床和浆态床反应器、UV、Plasma等多种催化剂表征和测试仪器。此外课题组和上海光源、合肥光源具有高度密切的合作关系，并以此搭建了各类原位测试平台。


课题组主页：http://catalysis.ustc.edu.cn/

 


招聘岗位：

招聘博士后/特任副研究员，开展电驱动、热驱动以及热电驱动多相催化反应，包括实验和理论计算，反应包括CO2/CO还原、甲烷部分氧化、丙烷脱氢、小分子电合成等研究。

 

申请条件：

1. 已获得博士学位或应届博士毕业生，在电催化、热催化、理论计算等领域有扎实的研究基础。

2. 应聘特任副研究员原则上应具有两年或以上的博士后经历，国外著名高校优秀博士毕业生且科研业绩突出者可破格申请。

3. 具有良好的英文听说读写能力。

 

岗位待遇：

1. 聘期 2-3 年。

2.工资待遇（博士后年薪21万元以上，特任副研究员年薪24万元以上，特别优秀的将视个人情况面谈）。此外，课题组会推荐优秀申请人申报中科大“墨子杰出青年特殊津贴”，入选后年薪可在基础数额之上增加 15 万元（一等资助）/5 万元（二等资助）。

3. 学校为博士后/特任副研究员办理社会保险（基本养老保险、失业保险、基本医疗保险及医疗救助保险、工伤保险、生育保险）和住房公积金。

4. 学校为博士后/特任副研究员提供两室带全套家具的周转房。对不要求安排人才公寓住房者发放租房补贴，补贴标准由学校统一制定。

5. 博士后/特任副研究员子女可在科大附属幼儿园、附小、附中就学，免交赞助费。幼儿园为孩子每日提供“三餐一点”（早、中、晚三餐和下午一次点心），免除家庭的后顾之忧。

6. 特任副研究员期满考核优秀者，可申请学校的“副研究员”或“副教授”岗位；博士后期满考核优秀者，可申请学校的“特任副研究员”岗位。课题组将会积极帮助出站博士后联系申请高等院校及研究所的工作，或推荐国际一流著名院校进一步深造。

 

申请方式：

请申请者将申请材料发送到以下邮箱：zengj@ustc.edu.cn，邮件以“博士后/特任副研究员申请+姓名”命名。本课题组承诺对所有应聘者材料给予保密。

欢迎有志于从事相关研究的博士进入本课题组，共同开展研究工作！

 

联系方式：

地址：安徽省合肥市金寨路96号中国科学技术大学东区微尺度理化大楼16-005室

电话：0551-63603545



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