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大化所/煤化所Nature Catalysis:Ru/(TiOx)MnO中氧化物-氧化物界面促進(jìn)H溢出,加速CO2還原為CO
在氧化還原條件下,金屬納米粒子(NPs)與氧化物載體之間的相互作用是催化劑中普遍存在的現(xiàn)象,也是金屬-載體強(qiáng)相互作用(SMSI)效應(yīng)的基礎(chǔ)。最近有研究報(bào)道了吸附物種有助于金屬和氧化物表面的動(dòng)態(tài)演變。因此,反應(yīng)環(huán)境誘導(dǎo)的原位結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和活性粒子重構(gòu)在多相催化領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。
最常見(jiàn)的現(xiàn)象是在H2下的退火過(guò)程中還原形成金屬狀態(tài)或燒結(jié)形成較大的NPs,這些原位轉(zhuǎn)化可能導(dǎo)致催化劑活化或失活。環(huán)境化學(xué)勢(shì)和催化劑組分之間的相互作用或內(nèi)聚力是催化劑組分變化及其動(dòng)力學(xué)的兩個(gè)控制因素。即使這些效應(yīng)已經(jīng)確立,它們?cè)诖呋瘎┰O(shè)計(jì)策略中的應(yīng)用仍然受到限制。特別是,沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的研究來(lái)確定如何利用這些概念來(lái)促進(jìn)金屬納米粒子的氧化物載體的表面催化性能。
近日,中國(guó)科學(xué)院大連化物所劉岳峰和中國(guó)科學(xué)院山西煤化所劉星辰等證明了當(dāng)TiO2納米顆粒在H2預(yù)處理期間自發(fā)分散在MnOx表面上,而不是遷移到活性金屬納米顆粒(如Ru,Pt或Pd)的表面時(shí),CO2還原為CO可以顯著增強(qiáng)。
與不含TiO2的Ru/MnOx催化劑相比,高度分散的TiOx物種在MnO表面形成了豐富的氧化物-氧化物界面,有利于Ru金屬中活性H物種的傳輸(H溢出),同時(shí)不損失Ru的初始分散度。這種效應(yīng)促進(jìn)了CO2還原為CO(逆水煤氣變換(RWGS)),這是CO2轉(zhuǎn)化為高價(jià)值化學(xué)品的關(guān)鍵中間反應(yīng)。
Ru/(TiOx)MnO催化劑(Ru/Ti/Mn)表現(xiàn)出較高的CO生成速率(是不含TiOx的Ru/MnO催化劑的3.3倍)和優(yōu)異的CO選擇性(>99%),其性能優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的其它負(fù)載型貴金屬催化劑。Ru/Ti/Mn催化劑的高性能主要是由于載體表面H的快速傳輸積累了更多的活性H物種,這些活性H物種參與了后續(xù)與吸附的CO2的反應(yīng)。
密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明,TiO2的彌散作用形成了大量的TiO2/MnO界面,顯著降低了H輸運(yùn)勢(shì)壘。因此,TiO2在MnO表面的原位結(jié)構(gòu)演變(再分散)為氫化過(guò)程提供了氫輸運(yùn)通道。綜上,該項(xiàng)工作為通過(guò)原位生成氧化物-氧化物界面作為氫物種傳輸通道設(shè)計(jì)新型選擇性加氫催化劑提供了新思路。
Generation of Oxide Surface Patches Promoting H-spillover in Ru/(TiOx)MnO Catalysts enables CO2?Reduction to CO. Nature Catalysis, 2023. DOI: 10.1038/s41929-023-01040-0
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