王峰等发现金属—载体强相互作用促进可还原性氧化物表面的多元合金形成

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近日，我所生物能源研究部生物能源化学品研究组（DNL0603组）王峰研究员、穆骏驹副研究员团队，与催化与新材料研究室（十五室）乔波涛研究员等、能源技术研究平台（DNL20）刘伟研究员合作，在金属—载体强相互作用研究领域取得新进展：发现了金属—载体强相互作用能够促进可还原性氧化物表面的多元合金形成，并阐释了这一现象产生的原因是氧空位可以成为金属原子的迁移通道，结合缺陷载体向金属位点表面生长的过程，促进了可还原氧化物表面多种金属原子定向汇聚至成核位点，最终形成多元合金纳米颗粒。
　　金属—载体强相互作用（Strong Metal-Support Interaction，SMSI）是可还原性氧化物的一个重要特征，受到了多相催化研究人员的广泛关注。传统研究认为，金属—载体强相互作用是一种在合成催化剂之后才产生影响的效应，例如，在反应过程中阻止底物在金属位点上的吸附，或者通过一个底物可穿透的包覆层抑制金属纳米颗粒的团聚。

　　本工作中，合作团队提出金属—载体强相互作用在催化剂合成过程中发挥了积极的作用。团队发现，在相同的制备条件下，PtPdCoFe四元合金仅能在锐钛矿相TiO2的表面形成，而无法在金红石相TiO2和SiO2表面形成。锐钛矿相TiO2的一个显著特点是具有经典金属—载体强相互作用，该现象中产生的氧空位能够成为Pd、Co、Fe金属原子的迁移通道。并且，拓展实验表明，金属—载体强相互作用促进的多元合金形成现象仅受载体的氧化还原特性影响，而不受多元合金的组分数和比例影响。本工作系统地总结了多元合金在可还原性金属氧化物载体上形成的三个关键因素，即金属—载体强相互作用、氢溢流效应和混合熵稳定效应，为未来负载型金属/合金催化剂的合成提供了参考。此外，本工作中制备的PtPdCoFe/A-TiO2催化剂在600℃反应条件下的甲烷燃烧反应中，甲烷转化率达到100%，在经过100h稳定性测试后没有失活，证明了多元合金适用于苛刻环境下的催化反应。
　　相关结果以“Strong Metal-Support Interaction Facilitated Multicomponent Alloy Formation on Metal Oxide Support”为题，于近日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该工作的共同第一作者是我所DNL0603组博士研究生韩建宇、1502组博士毕业生杨静怡、DNL0603组高级工程师张志鑫。相关工作得到国家自然科学基金、榆林中科洁净能源创新研究院人工智能科技专项等项目的资助。（文/图 韩建宇）
　　文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c07915
        文章来源：大连化物所
       王峰，男，1977年7月生，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员。1999年7月大学毕业获学士学位，同年被推荐到中国科学院大连化学物理研究所攻读博士学位（硕博连读生）。2005年3月获博士学位后留组担任助理研究员。2005年7月至2009年12月，先后在美国加州大学berkeley分校日本北海道大学催化科学研究中心做博士后。2009年12月以所“百人计划”引进到中国科学院大连化学物理研究所工作，担任创新课题组组长，2011年获中国科学院“百人计划”择优支持。研究团队从事纳米新材料的制备，有机多相催化反应，C-H和C-O的选择活化，生物质催化转化等研究工作。已发表论文30多篇，申请专利20项。世界催化大会青年科学家奖（慕尼黑，2012），中国化学会催化委员会第一届“中国催化新秀奖”（沈阳，2012），大连化物所“林励吾优秀青年奖”（2012）和大连化物所科技创新个人奖（2013）。