金屬所在納米碳材料負(fù)載金屬催化劑研究中取得進(jìn)展

  負(fù)載型金屬催化劑在整個工業(yè)催化領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用。然而，作為負(fù)載型金屬催化劑，載體材料對活性金屬納米粒子催化性能的影響發(fā)揮著十分重要的作用。催化劑的載體能夠影響金屬納米粒子在其表面的分散情況、粒徑大小、暴露晶面等。同時，通過調(diào)變載體與金屬納米粒子之間的相互作用亦可以提高金屬納米粒子的催化活性、選擇性和穩(wěn)定性，進(jìn)而提高金屬納米粒子的使用效率和循環(huán)使用能力。因此，尋求和制備具有特殊物性的催化載體材料一直是催化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

　　近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室催化材料研究部研究員蘇黨生和副研究員劉洪陽帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊，首次利用石墨烯和納米金剛石復(fù)合的核殼結(jié)構(gòu)材料（ND@G）為載體制備一種高性能的鈀/碳（Pd/C）催化劑。將這種Pd/C催化劑用于催化氧化CO時發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)sp2 雜化的洋蔥碳（OLC）上的負(fù)載Pd納米催化劑相比，ND@G負(fù)載的鈀納米催化劑(Pd/ND@G)表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的催化劑性能（圖1）。利用高分辨透射電子顯微鏡、球差分辨的高角度環(huán)形暗場-掃描透射電子顯微鏡以及同步輻射X-射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜等手段對催化劑進(jìn)行了詳細(xì)的表征。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的碳載體相比，由于ND@G載體表面具有豐富石墨烯缺陷能夠增強(qiáng)Pd納米粒子與納米碳載體之間的相互作用，進(jìn)而改變了Pd納米顆粒的幾何形貌和結(jié)構(gòu)（圖2）并且能夠顯著提升Pd納米粒子在碳載體表面的抗燒結(jié)能力（圖3）。同時研究還發(fā)現(xiàn)，這種Pd/ND@G催化劑中強(qiáng)的金屬-載體相互作用以及Pd 納米粒子特殊的幾何結(jié)構(gòu)能夠明顯減弱CO分子在Pd 納米粒子表面的吸附（圖4），進(jìn)而促進(jìn)了O₂分子在Pd 納米粒子的吸附解離，提高了催化劑低溫催化CO氧化的能力。該工作為設(shè)計合成高性能的納米碳負(fù)載金屬催化劑提供了一個新的思路。該工作以快訊的形式在Angewandte Chemie International Edition 在線發(fā)表（DOI: 10.1002/anie.201507821）。

　　近年來，催化材料研究部通過調(diào)控納米碳載體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來提升納米碳負(fù)載金屬催化劑的催化性能取得了系列進(jìn)展，相關(guān)工作發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition (2014, 53, 12634-12638)、ChemCatChem (2014, 6, 2600-2606)、Small (2015, 11, 5059-5064)、Catalysis Today (2016, 260, 55–59)等國際學(xué)術(shù)期刊上。

　　上述工作得到了國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”項(xiàng)目、國家基金委青年基金、國家基金委面上項(xiàng)目、國家基金委重大研究計劃、國家基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目、中石化企業(yè)項(xiàng)目的資助以及上海同步輻射光源X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜線站BL14W1提供的大力支持。

　　圖1. Pd/ND@G和Pd/OLC在CO氧化反應(yīng)中的催化性能：（a）CO轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化，（b）不同溫度下的TOF值

圖2. 高分辨的HADDF-STEM電鏡照片：(a, b)Pd/ND@G，(c, d)Pd/OLC，Scale bars: 2 nm

圖3.（a）不同催化劑在500℃下焙燒前后的XRD譜圖，（b）Pd/ND@G在不同溫度下焙燒6小時后的XRD譜圖

圖4. 不同催化劑上吸附CO后的程序升溫脫附譜圖