梁海伟课题组：催化剂金属-载体强相互作用研究中取得进展

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负载型金属催化剂对于现代工业至关重要。大量的实验和理论研究表明，负载型金属催化剂中的载体不仅扮演着分散和稳定金属纳米颗粒的作用，还会与金属颗粒产生强相互作用，进而影响催化剂的活性、选择性及稳定性。近日，中国科学技术大学教授梁海伟课题组与武晓君课题组进行实验和理论相结合的合作研究，基于硫掺杂碳负载铂（Pt）催化剂体系，发现了金属与碳载体之间的电荷转移方向随着Pt尺寸的变化而反转的新现象。该研究成果以Reversing the charge transfer between platinum and sulfur-doped carbon support for electrocatalytic hydrogen evolution 为题，发表在国际期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上。论文的共同第一作者为博士研究生严强强和吴道雄。

　　在该项工作中，研究人员首先利用他们前期发展的过渡金属催化碳化有机小分子的方法（Nature Communications 2015, 6, 7992；Science Advances 2018, 4, eaat0788），合成了硫掺杂介孔碳（S-C）载体材料，并采用传统的浸渍法使用该S-C载体材料制备出两种不同的Pt催化剂材料：Pt单原子（PtSA/S-C）与Pt纳米团簇（PtNC/S-C）催化剂。球差校正透射电镜（HAADF-STEM）和同步辐射X-射线吸收谱（EXAFS和XANES）表征结果证实了Pt单原子和Pt纳米团簇结构特征，即二者都直接与碳载体上的硫原子键合。有趣的是，研究人员通过分析对比样品的X-射线光电子能谱（XPS）和XANES谱，发现了Pt与S-C载体之间的电荷转移方向随着Pt尺寸的变化而反转的新现象：当Pt为单原子时，其电子向S-C载体转移；而当Pt为1.5 nm团簇时，电子从S-C载体向Pt转移。同时，理论计算的电荷分析结果进一步证实了这种Pt和S-C载体之间电荷转移的反转现象。
　　进一步，研究人员探究了上述两种催化剂的电催化析氢反应性能。实验结果表明，具有富电子特性的Pt纳米团簇的催化活性明显优于缺电子的Pt单原子和商业的Pt/C催化剂。理论计算表明，对于Pt团簇体系，S-C载体上的电子向Pt团簇转移，导致Pt上的电子云密度上升，H*吸附的吉布斯自由能下降，HER活性提升。该项工作阐述了一种对金属和载体之间电荷转移现象的新理解，为高效催化剂的设计提供了一种基于电荷转移调控的新思路。
　　该项研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划基金、中央高校基本科研业务费专项基金以及中国科大同步辐射联合基金的资助。
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       铂催化剂（英文名称platinum catalyst）是一种以金属铂为主要活性组分制成的催化剂的总称。采用铂金属网、铂黑、或把铂载于氧化铝等载体上，也可含有金属铼等助催化剂组分。主要用于氨氧化、石油烃重整、不饱和化合物氧化及加氢、气体中一氧化碳、氮氧化物的脱除等过程。是化学、石油和化工反应过程经常采用的一种催化剂。具有催化活性高，选择性强，催化剂制作方便，使用量少，可以通过制造方法的变化和改进，与其他金属或助催化剂活性组分复配等，优化催化性能。应用领域广，能够反复再生和活化使用，寿命长，废催化剂的金属钯可以回收再利用等优越性。许多铂催化剂品种都已成为专利产品，应用于各行各业，具有新的结构及催化功能的铂催化剂仍在不断研发，不但使许多难以实现的反应过程经铂催化剂催化而成为可能，而且使许多石油和化工等工业生产过程，因采用新开发的铂催化剂得到改善和提高，使工艺过程简化、经济效益提高，因此铂催化剂仍具有远大的发展前景。


     梁海伟，中国科学技术大学化学系特任教授、博士生导师。于2006年7月获华东师范大学化学专业学士学位，2011年6月获中国科学技术大学博士学位，导师：俞书宏教授。2012年5月赴德国美因茨马普高分子研究所从事博士后研究，合作导师是Klaus Muellen教授和Xinliang Feng教授。今年初回国，入职中国科学技术大学化学系。迄今为止，共发表54篇SCI论文，其中第一作者论文14篇，包括2篇Nat. Commun., 1篇Acc. Chem. Res.，1篇J. Am. Chem. Soc.，1篇Angew. Chem. Int. Ed.和4篇Adv. Mater.等。论文共被引用3000余次，H-Index 30。研究兴趣包括碳基非贵金属电催化剂的设计和制备以及生物质纳米结构的宏量获取、化学功能化及应用研究。


     武晓君，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授。2005年于中国科学技术大学化学物理系，获理学博士学位。2005至2010年，美国内布拉斯加州大学林肯分校化学系 博士后。2010年加入中国科学技术大学化学与材料科学学院，微尺度物质科学国家研究中心。曾获唐敖庆理论化学青年奖、青年拔尖人才支持计划、中国科学院百人计划。主要基于第一性原理计算等多尺度模拟方法，围绕低维材料的理论设计与机理开展研究，在包括JACS, Adv Mater, Angew Chem, ACS Nano, Nano Lett.等期刊发表论文180余篇。