我所開發出新型氧化鈦包裹金高溫抗燒結催化劑

  近日,我所穆斯堡爾譜研究組(DNL2005)王軍虎研究員團隊利用三聚氰胺誘發的金屬載體間強相互作用(Strong Metal-Support Interaction, SMSI),開發出新型氧化鈦包裹金催化劑。該催化劑具有高溫抗燒結性且表現出很好的活性,為合理設計和開發高穩定性的金催化劑提供了新策略。

  負載型金催化劑由于其獨特的催化性能,在一氧化碳氧化、水煤氣變換(WGS)、甲烷氧化重整等眾多反應中發揮著重要的作用。但由于金的塔曼溫度較低,在高溫反應中容易燒結導致其反應穩定性差。二十世紀七十年代末,Tauster等人提出金屬載體間強相互作用后,引發國內外相關領域學者的廣泛關注和深入研究。經典金屬載體間強相互作用適用于鉑族金屬和還原性氧化物載體。然而,長期以來人們一直認為金很難產生金屬載體間強相互作用,其原因被歸結為金較低的功函數和表面能。

  在前期的研究中,王軍虎團隊與喬波濤研究員和張濤院士團隊合作,首次發現金及鉑族金屬與羥基磷灰石(HAP)之間氧誘導的金屬載體間強相互作用(J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci.),進一步通過對氧誘導金屬載體間強相互作用的調變,設計開發了具有獨特半包裹結構的高溫抗燒結Au/HAP-TiO2催化劑(Angew. Chem. Int. Ed.)。

  此外,兩團隊合作在金催化劑體系的經典金屬載體間強相互作用的研究方面也取得了重要進展,首次發現了金與二氧化鈦之間的經典金屬載體間強相互作用(Sci. Adv.)。但由于經典金屬載體間強相互作用是可逆的,生成的TiOx包裹層在進一步高溫氧化氣氛(高于400攝氏度)處理后會消退,使其無法對金納米顆粒的催化性能產生影響。因此,亟需開發新的策略以實現TiOx包裹層包裹金納米顆粒,同時該包裹層在高溫氧化氣氛下具有很強的耐受性,為氧化環境下高穩定性金催化劑的設計和開發提供新方法。

  本研究發現金納米顆??稍谘趸瘹夥障卤灰粚涌蓾B透的TiOx薄層包裹,該條件與經典金屬載體間強相互作用的發生條件恰好相反。產生此現象的關鍵是使用三聚氰胺進行修飾,然后在高溫N2氣氛下處理,進一步在800攝氏度空氣氣氛下焙燒。更重要的是,該TiOx包裹層在進一步(400至600攝氏度)氧化氣氛下焙燒不消失,這也與經典金屬載體間強相互作用相反。由于TiOx包裹層的產生,制備的金催化劑具有高溫抗燒結性且表現出很好的活性,同時在水煤氣變換反應以及模擬汽車尾氣一氧化碳消除反應中表現出很好的穩定性。此外,該策略還可以擴展到TiO2負載的金溶膠以及商業的RR2Ti催化劑。

  相關研究成果發表在《自然-通訊》上,并在Nature Research Chemistry Community 作為亮點報道。該工作得到國家自然科學基金委和中科院國際合作重點基金的支持。這也是獻禮我所七十周年所慶的文章之一。 (文/圖 劉少峰)

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