大连化物所等在高分散催化剂研究方面获进展

2011-8-01 22:32 来源: 中国科学院
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  近期,中科院大连化学物理研究所张涛研究员领导的航天催化与新材料研究组在多年研究高分散催化剂的基础上,以氧化铁为载体成功制备出首例具有实用意义的“单原子”铂催化剂。以一氧化碳氧化和富氢气氛下一氧化碳选择氧化为探针反应,证明该单原子催化剂具有非常高的催化活性和稳定性,其催化活性是传统纳米催化剂的2-3倍。该研究结果发表于最近一期的Nature Chemistry,并被CE&N 作为研究亮点报道。

  负载型铂催化剂是用途最为广泛的贵金属催化剂。全球每年高达50%的铂产量都用于汽车尾气净化系统的三效转化器。此外,燃料电池电极催化剂、石油化工中的催化重整、以及各种精细化学品的合成都大量依赖于高效的负载型铂催化剂。但是铂的资源稀缺性决定了其价格昂贵,同时铂元素独特的物理化学性质又决定了其在多种催化反应中的不可替代性。因此,如何提高铂的原子利用率一直是催化剂制备科学的核心问题之一。

  传统的方法是将铂分散于高比表面积的载体上,但通常只能得到尺寸在1-10纳米范围内的纳米粒子。研究催化剂中纳米粒子的尺寸效应也多集中在该尺度范围内。近几年随着先进表征技术(如STEM-HAADF, XAFS)和理论计算方法的发展,极大推动了纳米催化科学的认识,一些亚纳米尺度的催化剂已经被证明具有显著不同于纳米尺度催化剂的性能。金属分散能够达到的极限是单原子分散。但在该工作之前,还没有出现真正具有实用意义的单原子催化剂。这主要是因为单原子具有很高的表面能,在反应条件下极容易与别的原子发生聚集长大。

  大连化物所张涛研究员带领的课题组利用氧化铁和铂之间的强相互作用,采用简单的共沉淀法,通过精确调控沉淀条件以及控制铂的含量,获得了首个高活性并能在反应条件下稳定存在的单原子铂催化剂。通过与该所千人计划入选者刘景月教授(University of Missouri-St Louis, USA)、清华大学李隽教授、美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)Lawrence F. Allard博士, 以及上海同步辐射和北京同步辐射中心合作,证实了在该催化剂上所有的铂都呈单原子分散状态,无任何亚纳米或纳米聚集体存在。理论计算进一步揭示了铂单原子催化剂的结构和具有高催化活性的原因。

  “单原子催化”对于从原子水平理解多相催化具有重要意义,同时也为开发低成本高效贵金属工业催化剂提供了可能。

高分散催化剂研究取得重要进展