澳门金沙娱乐城官网-金沙官网

北京理工大學材料學院能源催化研究所陳文星課題組近日在Pd₁Fe單原子合金催化劑設計與應用研究中取得重要進展。2024年5月，相關研究成果以“Lattice Strain and Mott-Schottky Effect of Charge-Asymmetry Pd₁Fe Single Atom Alloy Catalyst for Semi-Hydrogenation of Alkynes with High Efficiency”為題在國際知名期刊《ACS Nano》上發表。北京理工大學陳文星副教授、河北科技大學王碩副教授、中國石油大學（北京）李振興教授和伊比利亞國際納米技術實驗室郭天祺為論文共同通訊作者，北京理工大學材料學院孫志一博士為第一作者。

炔的選擇性加氫是學術界和現代化學工業中的一個關鍵反應，其中鈀基催化劑被認為是最有效的。然而，由于其高活性引起的過度氫化，其應用受到限制。近年來，研究人員一直在努力提高鈀基催化劑對炔烴選擇性加氫反應的性能。方法包括引入第二金屬制備合金或核殼催化劑，雜原子修飾或構建肖特基結等。然而，這些方法往往不能同時在活性和選擇性之間取得平衡。自2012年以來，單原子合金(SAA)催化劑得益于其混合動力學和獨特的幾何結構一直處于材料化學的前沿。獨特的合金組合導致低含量組分原子的電子結構發生顯著變化，d帶變窄，從而改變了底物的吸附/解吸能力。雖然報道了一些用于炔烴半氫化的單原子合金，但它們的性能和具體的調控機制仍不令人滿意。因此，理解界面效應和掌握調控原理是今后設計高效、穩定催化劑的必要條件。

為了解決這些問題，陳文星研究組合理設計了一種由Pd₁Fe合金芯和半導體P摻雜C殼層組成的電荷不對稱“裝甲”單原子合金催化劑(命名為Pd₁Fe SAA@PC)，作為一種理想的高效選擇性加氫催化劑。多重光譜分析和密度泛函數理論(DFT)計算表明，Pd₁Fe SAA@PC受晶格拉伸和肖特基效應的雙重調控，并分別用于調控加氫的選擇性和活性。具體如下：(1) PC殼層施加外部牽引力，使Pd₁Fe合金內部產生1.2%的拉伸應變，提高反應選擇性。(2) P的摻雜作用會使C殼層實現從p型半導體到n型半導體的過渡，形成獨特的肖特基結，從而提高了炔的半加氫活性。催化劑形貌相關圖像如圖1所示。

圖1. 鎧甲型Pd₁Fe SAA@PC的合成策略和形態結構。

在常溫常壓條件下，Pd₁Fe SAA@PC在苯乙炔的半氫化反應中實現了4分鐘內轉化率為99.9%，選擇性為98.9%。而且，當反應時間延長至60分鐘時，苯乙烯的選擇性仍保持在96.0%以上，超過了以往報道的催化劑。晶格應變和Schottky效應的雙重調控確保了Pd₁Fe SAA@PC在苯乙炔半加氫反應中的優異性能。這些明確的界面調制策略為半加氫催化劑的合理設計和性能優化提供了實用的途徑。

圖2. Pd₁Fe SAA@PC催化劑的苯乙炔加氫測試結果。

多重X射線光譜和密度泛函數理論(DFT)計算表明，晶格應變和肖特基效應都源于P-C“盔甲”結構對內部的強相互作用，發揮了調節底物在Pd_1Fe SAA@PC上的選擇性吸附和烯烴解吸能壘的雙重作用。Pd₁Fe SAA外部穩定的PC殼對內部合金產生牽引作用，從而導致Pd₁Fe SAA的拉伸應變約為1.17%(≈1.2%)。在加氫之前，催化劑將苯乙炔分子吸附在底物上，形成吸附態PhCCH*。由于P摻雜的C殼層的包覆作用，苯乙炔優先吸附在C位點上，而不是直接吸附在Pd₁Fe合金球上。類似于“盔甲”結構的吸附方式避免了金屬位點與外部環境的直接接觸，從而提高了催化劑的穩定性。

圖3. Pd₁Fe SAA@PC的理論計算結果

全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c02710

該研究課題得到了國家自然科學基金項目、北京市自然科學基金項目、北京市理工大學青年學者科研基金項目、河北省自然科學基金項目、中國科學院青年創新促進會基金成員項目和寧波市3315創新團隊項目的資助。

附作者介紹：

陳文星，北京理工大學副教授，博士生導師，碩士生導師。2011年本科畢業于北京航空航天大學化學學院；2015年博士畢業于中國科學技術大學國家同步輻射實驗室，師從國際著名同步輻射X-射線譜學專家、前全國同步輻射專業委員會理事長吳自玉教授；2016年在清華大學化學系進行博士后研究，師從李亞棟院士；2018年受聘于北京理工大學材料學院，并建立課題組，擔任獨立PI。主要在金屬納米、團簇、單原子催化劑的原子級可控合成、結構表征與催化性能分析方面從事研究工作，并致力于應用X-射線譜學方法從原子分子尺度上對物質的局域結構進行解析，運用基于同步輻射大科學裝置平臺的原位測試技術對相關反應機理進行探索。相關成果已發表文章250余篇，SCI總引用32000余次，60余篇入選ESI前1%高被引論文，H指數91。其中以通訊作者/第一作者（含共同）身份，分別在Nat. Catal. (1)，Science Advances (1)，Nat. Commun. (5)，J. Am. Chem. Soc. (6)，Angew. Chem. Int. Ed. (5)，Advanced Material (7)，Energy Environ. Sci. (4)等期刊上發表論文90余篇。連續四年（2020-2023）入選科睿唯安全球高被引科學家榜單。2021年入選Elsevier&Stanford公布的“標準化引文指標全科作者數據庫”全球10萬全科科學家年度影響力名單。入選2021年英國皇家化學會Top 1%高被引中國作者名單。2021年獲《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創新35人”提名。申請專利四項，授權兩項。擔任Nano Research和Energy and Environmental Advances期刊編委，以及Nano Research Energy、SmartMat和Rare Metals等期刊青年編委。2023年獲評Nano Research Energy學術新星和優秀編委。作為客座編輯組織Rare Metals的“Single-Atom Catalysis”專刊和EcoEnergy的“碳材料能源轉化與存儲”專刊。作為課題負責人主持國家自然科學基金面上項目、青年項目，北京市面上基金項目，企業橫向項目，北京理工大學人才引進啟動項目和優青培育項目等，擔任Angew、Adv. Mater.、Matter、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Research等學術期刊獨立審稿人。應邀在ACS Energy Lett.、Small、Aggregate、Chem. Commun.等期刊撰寫綜述文章9篇。受邀參加三十余次國內外重要學術會議并做邀請報告。主講北京理工大學材料學院《催化原理及應用》《微納加工技術與材料》等課程。