中国科学院大连化学物理研究所航天催化与新材料研究室张涛

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近日，我所催化与新材料研究室（十五室）张涛院士、杨冰副研究员团队，与上海高等研究院朱倍恩研究员合作，在单原子催化剂动态催化机制研究方面取得新进展，发现单原子不仅提供活性位点，同时还可以在长时反应过程中诱导载体表面碳化，进而大幅提升反应活性。
　　自2011年张涛等首次提出单原子催化概念以来，单原子催化剂（SACs）由于其特殊的活性、选择性以及原子利用率最大化等特点，逐渐成为催化领域的研究热点。尽管已有工作揭示了单原子位点对反应物活化、产物选择性的重要催化作用，但是，SACs在实际反应过程中的动态结构演变的识别与调控仍有待进一步探索。
　　张涛和杨冰团队长期致力于金属催化剂动态演化与原位电子显微识别研究（ACS Catal.，2022；Nat. Commun.，2021；Nat. Catal.，2020；ACS Sustain. Chem. Eng.，2019；Appl. Catal. B，2018），通过前期一系列工作，揭示了“气氛—金属—载体”三相界面对金属催化剂动态行为调控的关键作用。

　　在本工作中，研究人员发现单原子催化剂（Pd1-FeOx）在二氧化碳加氢反应过程中的长时诱导期，可促进CO2转化率从17%逐渐增加到28%，并保持98%以上的CO选择性。相比而言，负载型纳米颗粒催化剂（Pd-NPs-FeOx）则一直保持稳定的催化活性和选择性。进一步通过原位表征、结构分析和理论计算等手段发现，Pd单原子不仅可以在反应初期提供高效的催化活性位，同时在长时反应过程中还可以促进FeOx载体的动态碳化，获得高活性的Fe5C2活性相，从而显著提高CO2转化率并降低活化能至27.7kJ/mol。相比之下，Pd纳米颗粒与载体（FeOx）则发生强金属载体相互作用（SMSI），产生的FeOx包覆抑制了FeOx的深度还原与碳化。本工作加深了对单原子催化的理解，揭示了反应环境下单原子位点对载体结构的动态作用机制，为单原子催化剂界面结构设计提供了新的启发。
　　相关研究成果以“Single-atom-driven dynamic carburization over Pd1-FeOx catalyst boosting CO2 conversion”为题，于近日发表于Chem上。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、我所创新基金等项目的支持。（文/图 杜鹏飞、杨冰）
　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.08.012