金屬-氧化物體系多界面串聯催化劑

宋衛國

(中國科學院化學研究所，北京100190)

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金屬-氧化物體系多界面串聯催化劑

宋衛國

(中國科學院化學研究所，北京100190)

［Highlight］

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多數化工過程需要多步反應才能獲得目標產品，反應原料的原子利用率低，反應和純化單元操作步驟多，導致較高的成本和能源消耗。將多步反應實現一步串聯高效轉化，將顯著提高原料利用率，簡化反應和純化過程，降低能源消耗1。負載型納米金屬催化劑是應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改變其組成、形貌、尺度、晶面結構和金屬-氧化物界面結構進行調控2。將不同的金屬-氧化物界面集成到一個納米反應器中能夠獲得新型的串聯催化劑，納米反應器的限域空間內還將有利于不同功能界面間中間體的傳遞，提高反應效率或改變反應路徑。然而，傳統催化劑制備方法很難實現多界面催化劑組成和微觀結構的精確調控。

原子層沉積技術(atomic layer deposition，ALD)是一種先進的薄膜沉積技術。利用ALD技術自限制的特點，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構的氧化物、碳化物、聚合物和有機-無機雜化材料，可精確地調控催化劑的表界面結構與組成3。中國科學院山西煤炭化學研究所煤轉化國家重點實驗室覃勇研究員課題組利用ALD技術設計制備出一種基于管套管結構的金屬-氧化物體系多界面串聯催化劑。并以Ni/Al2O3和Pt/ TiO2兩種界面組合的催化劑為實例，以水合肼分解制氫和硝基苯加氫反應為探針串聯反應，證實了這種多界面限域催化劑設計理念的優勢。相關工作以VIP文章發表在Angewandte Chemie International Edition雜志4上。

該研究團隊利用ALD技術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；經過煅燒和還原處理后得同時具有Ni/Al2O3和Pt/TiO2界面的管套管雙界面催化劑，界面間距可通過改變聚酰亞胺犧牲層的膜厚來調控。該雙界面催化劑在水合肼制氫和硝基苯加氫串聯反應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。系統的表征和控制實驗表明，活性氫能夠通過納米限域空間在兩種界面間快速傳遞，在Ni/Al2O3界面分解水合肼產生的活性氫無需脫附成氫氣即可傳遞到Pt/TiO2界面參與硝基苯加氫反應，跳過了氫氣活化路徑，促進了串聯反應的高效進行。這項研究開辟了多功能多界面催化劑設計制備新途徑，為深入理解納米限域空間多界面協同催化和進一步設計新型串聯催化反應提供了新的思路。

References

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10.3866/PKU.WHXB201606291