宋卫国

(中国科学院化学研究所，北京100190)



金属-氧化物体系多界面串联催化剂

宋卫国

(中国科学院化学研究所，北京100190)

［Highlight］

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多数化工过程需要多步反应才能获得目标产品，反应原料的原子利用率低，反应和纯化单元操作步骤多，导致较高的成本和能源消耗。将多步反应实现一步串联高效转化，将显著提高原料利用率，简化反应和纯化过程，降低能源消耗1。负载型纳米金属催化剂是应用最为广泛的多相催化剂，金属纳米颗粒的催化性能可通过改变其组成、形貌、尺度、晶面结构和金属-氧化物界面结构进行调控2。将不同的金属-氧化物界面集成到一个纳米反应器中能够获得新型的串联催化剂，纳米反应器的限域空间内还将有利于不同功能界面间中间体的传递，提高反应效率或改变反应路径。然而，传统催化剂制备方法很难实现多界面催化剂组成和微观结构的精确调控。

原子层沉积技术(atomic layer deposition，ALD)是一种先进的薄膜沉积技术。利用ALD技术自限制的特点，不仅能够控制制备尺度均一纳米颗粒、亚纳米颗粒甚至单原子，还可控制制备具有各种组成和结构的氧化物、碳化物、聚合物和有机-无机杂化材料，可精确地调控催化剂的表界面结构与组成3。中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室覃勇研究员课题组利用ALD技术设计制备出一种基于管套管结构的金属-氧化物体系多界面串联催化剂。并以Ni/Al2O3和Pt/ TiO2两种界面组合的催化剂为实例，以水合肼分解制氢和硝基苯加氢反应为探针串联反应，证实了这种多界面限域催化剂设计理念的优势。相关工作以VIP文章发表在Angewandte Chemie International Edition杂志4上。

该研究团队利用ALD技术在碳纳米纤维为模板表面先后沉积Al2O3层和NiO纳米粒子获得Ni/Al2O3界面；然后沉积聚酰亚胺膜作为牺牲层；在牺牲层表面先后沉积Pt纳米颗粒和TiO2层获得Pt/TiO2界面；经过煅烧和还原处理后得同时具有Ni/Al2O3和Pt/TiO2界面的管套管双界面催化剂，界面间距可通过改变聚酰亚胺牺牲层的膜厚来调控。该双界面催化剂在水合肼制氢和硝基苯加氢串联反应的活性显著高于单界面催化剂和单界面催化剂物理混合物的性能。系统的表征和控制实验表明，活性氢能够通过纳米限域空间在两种界面间快速传递，在Ni/Al2O3界面分解水合肼产生的活性氢无需脱附成氢气即可传递到Pt/TiO2界面参与硝基苯加氢反应，跳过了氢气活化路径，促进了串联反应的高效进行。这项研究开辟了多功能多界面催化剂设计制备新途径，为深入理解纳米限域空间多界面协同催化和进一步设计新型串联催化反应提供了新的思路。

References

(1)(a)Yamada,Y.;Tsung,C.K.;Huang,W.;Huo,Z.;Habas,S.E.; Soejima,T.;Aliaga,C.E.;Somorjai,G.A.;Yang,P.Nat.Chem. 2011,3,372.doi:10.1038/nchem.1018

(b)Lohr,T.L.;Marks,T.J.Nat.Chem.2015,7,477. doi:10.1038/nchem.2262

(2)(a)White,R.J.;Luque,R.;Budarin,V.L.;Clark,J.H.; Macquarrie,D.J.Chem.Soc.Rev.2009,38,481.doi:10.1039/ B802654H

(b)Zaera,F.Chem.Soc.Rev.2013,42,2746.doi:10.1039/ C2CS35261C

(3)(a)George,S.M.Chem.Rev.2010,110,111.doi:10.1021/ cr900056b

（b）O′Neill，B.J.；Jackson，D.H.K.；Lee，J.；Canlas，C.；Stair，P. C.;Marshall,C.L.;Elam,J.W.;Kuech,T.F.;Dumesic,J.A.; Huber,G.W.ACS Catal.2015,5,1804.doi:10.1021/cs501862h

(4)Ge,H.;Zhang,B.;Gu,X.;Liang,H.;Yang,H.;Gao,Z.;Wang, J.;Qin,Y.Angew.Chem.Int.Edit.2016,55(25),7081. doi:10.1002/anie.201600799

10.3866/PKU.WHXB201606291